我们现在读到的高中物理中学的现象,如牛顿第二定律、动量守恒等,几乎都是百年前的成果。
但近百年来难以取得真正的重大突破,许多物理学家认为相对论难逃一劫,甚至不惜将爱因斯坦和相对论视为“千古罪人”。
然而物理学发展至今,绝对少不了爱因斯坦和相对论对物理学发展所做出的重大贡献,那么是不是只有相对论这些贡献才导致基础物理学停滞不前呢?
相对论的贡献。
爱因斯坦早期提出的相对论其实是狭义相对论,阐述了经典力学和电磁学之间的矛盾,并解决了这些矛盾导致的许多问题。
其后又发展出广义相对论,一方面是对牛顿万有引力定律的修正,一方面则是在此基础上进一步探讨了更高维空间中的更高维事物。
这两个理论也代表着物理学界讨论最热闹的两个领域。
狭义相对论的核心就是光速为恒定,以及时间存在相对性。
而广义相对论则建立在数学上,通过数学表达了引力与时空之间的关系。
可以说,无数次发生在宇宙中的实验都在支持着这两个理论。
如1933年德国天文学家凡·佐西正式通过观测天狼星大气中的水蒸气分子对光的红移现象发现了引力对光线的影响。
这个现象在狭义相对论看来是自然现象,在牛顿万有引力定律看来却是无法实现的。
需要说明的是,早在1882年,德国天文学家甚至早于爱因斯坦发现了水星近日点进动,但当时难以解释到底是什么原因导致水星近日点的进动偏差,因此将之归结为“未知因素”。
后来由于其他原因,这一“未知因素”变得能忽略不计,最终现代物理学家通过广义相对论计算发现,实际上大约有43角秒/世纪是被新发现的引力透镜作用导致的,因此也丝毫不影响水星近日点进动的整体结果。
还有更晚些时候,美国物理学家巴巴两次在1965年、1975年两次通过喷泉方形水晶管中射入光束发现了光在引力场中传输时间的延迟现象,被称作“光电离实验”。
众多天体物理现象如黑洞的存在与宇宙中的演变、引力波和引力透镜等都在证明着广义相对论的正确性。
狭义和广义都得到了实验证明,那么有没有证据证明爱因斯坦错误呢?
其实也有,但这些证据都发生在微观领域。
微观领域主要是量子物理领域,而量子物理领域从一开始就有着与宏观物理领域截然不同的实验结果。
例如1897年英国物理学家汤姆逊发现了电子之前,我们对于原子中微观粒子的认识就非常模糊,因此对此发现我们很难解释电子到底是什么,但它为什么会有这样的特性却非常重要,并被称为“汤姆逊实验”。
1906年瑞士实验物理学家米尔肯再次通过汤姆逊实验推导出质子的质量精确值,从而反推原子的质量是一种谣量子态的不确定态。
1921年德国物理学家海森堡提出量子态不可知性,不可知性不仅让量子态无法被精确描述,更使得量子态之间有自己的独立性和随机性,因此在微观领域完全打破了宏观领域确定性的经典物理规律。
尽管微观领域与宏观领域截然不同,但尽管如此,两者之间仍然有着一致性。
例如,在低速低引力环境下,狭义和广义相对论与牛顿经典力学都是一致的,甚至牛顿经典力学还要更简洁。
而在高速情况中,牛顿经典力学则与狭义相对论不再一致,例如牛顿经典力学推导出了超光速运动是绝对可能的,而狭义相对论推导出超光速运动会导致时间倒流。
在超光速研究中,一直找不到证据证明违背了狭义相对论,这让人觉得有些奇怪,也认为这么大事应该有个说法。
因此牛津大学教授阿尔瓦·阿贝里奇将这个问题提出来奖赏100万美金。
时至今日,这100万仍然悬而未决。
基础物理学与科学理论。
相对论可能导致基础物理学停滞不前吗
要认识到这一点就要先认识到一个事实,那就是科学本质是什么?
理论来研究科学,是因为理论与实践结合来自科学的本质,众所周知,达尔文生物进化论就是最好的例子之一。
生物学家布劳斯提出生物进化有三种机制:变异、竞争和生存,然而虽然在他身后,有无数个生物学家通过实验发现了很多事实,但布劳斯却越发坚定自己的理论认为达尔文生物进化论完全准确无误,而他却上升为一个名副其实的“教皇”模式。
布劳斯在世时最具体的大成就就是贝克特教授发表了一篇论文证明宿主与寄生虫之间其实并不存在互利进化关系,但这仍然没有改变布劳斯原来的观点。
直到万幸的是,冥冥之中伯朗斯在世时没有看到自己后来的成果以及达尔文生物进化论的局限性。
这是因为科学的发展与创新不是想当然就能实现的,没有假设,也不能跳出已有理论框架。
而现实世界永远是不确定且变化巨大的,这也是科学探索魅力所在。
从本质上讲,没有无懈可击的理论,而只有不断修正进步的理论。
对于任何一个理论来说,其正确率都是变化无穷大的,它们不能有人为地设定必须符合什么条件,而是要根据当时现实世界情况不断提高准确率,不断修正完善。
长久的发展之后,人类认知上限就成为最大的限制。
人们会发现,哪怕是至今人们依然坚信的新古典物理,在许多特殊情况下其也会出现局限性。
但这并不代表它是错的,因为在许多低速低引力环境下,这是可以用实验验证并得到一致结论的,相对论和牛顿经典力学都是统一和一致的。
根据目前经验主义来看,在地球环境下,相对论已经足够准确地描述了物理规律,我们不会再去发展其他理论框架来探讨其他可能性。这正是各个科学理论之间存在差异性的原因,即便是最先进技术之下,也无法实现超光速,这就是科技水平限制了认识水平。
北京大学教授高乃真曾经撰写过一本书,其中讲到:“像原子尺度和宇宙尺度这两个极端中间还有很多层次,每一层都有自己独特的规律。”
这也是科学探索情绪的一部分,人类永远向往更多未知事物,但这也不过是人类主观幻想罢了。
无论是什么科学理论,它们都只是在人类已知世界下最大可能性的结果,而绝不存在无懈可击的正确答案。
现实世界本身就是一个不断变化发展的过程,而科学理论只是人类探索它的一种产物而已。
这也意味着任何科学理论都堵不住发展的路,对基础物理发展的影响并非绝对,也不是唯一决定性因素。
相对论在我们生活中的应用。
人们是否真的理解了相对论
或者说现实生活中是否存在完全符合相对论的现象?
当然在准确度极高环境下,必然是存在这样的情况,但我们的日常生活存在这种情况吗?
当然也存在,比如现代导航系统,以及粒子加速器等设备,它们都是我们生活中实际应用相对论得出的实际效果。
例如:GPS系统可以精确定位地球上任何一点,而正是由于考虑到地球自转和重力场这两个因素,使得GPS定位非常精准。
假如这些运行在牛顿重力模型下,那么GPS定位精度会大幅度下降,让它变得如同玩具一般不靠谱。
即便中国建立了北斗系统,我们依然还在使用GPS,因为即便北斗精度更高,我们也无法保证一定能解决世界所有问题!
粒子加速器又如何呢
我们是否能亲眼看到光速粒子发生时间静止现象?
显然不能,但我们可以看到无数粒子碰撞产生大量新粒子然后消失,这证明了一件事,那就是粒子之间确实存在一种规则,在高速碰撞过后,它们发生了一种叫做质量增添效应的新现象,将一些生成的新粒子拽回自身,使得这些粒子形成凝聚状态而非扩散状态。
这巨大的力量很容易将粒子团团束缚住,因此我们无法看到它们仅仅是看到了许多新产生新粒子,这是因为光速运动下时间静止效应将我们掩盖了自身,从而看不到它们的直接效果,所以几乎所有粒子都是新的囚犯。