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相對論和量子力學為何誕生百年仍具顛覆性?

更新時間:2024-08-02 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

現代物理學的兩大基石就是相對論量子力學,而這兩個理論已經存在了百余年,也就是說在過去的一百年里,人類在基礎物理學領域并沒有取得太大的突破。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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雖然規范場論、粒子標準模型,甚至弦理論也讓人大開眼界,但它們并不像相對論對牛頓經典力學的顛覆性那么強,量子力學更是顛覆了人們的傳統認知,徹底顛覆了我們的世界觀、人生觀。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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為什么會出現這種情況呢?今天我們就一起來探討一下這個問題。Lku物理好資源網(原物理ok網)

講科學,首先要明白科學理論是怎么誕生的,其實這個問題比較復雜,但很多學者認為科學源于哲學思維。Lku物理好資源網(原物理ok網)

哲學一般都是以純思辨的方式去思考問題,總讓人感覺脫離現實。然而,隨著哲學的不斷發展,它開始越來越與現實相結合。只有深入現實,才能更好地服務于人類。Lku物理好資源網(原物理ok網)

地心說模型的誕生就是這一點的最好體現。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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現在我們知道地心說是錯誤的,但是即使它是錯誤的,在某種程度上,我們也不能否認地心說是一種科學理論。為什么呢?Lku物理好資源網(原物理ok網)

很簡單,因為地心說非常符合科學理論的范式,科學不等于正確。Lku物理好資源網(原物理ok網)

一個合格的科學理論,必須對觀察到的現象負責。古人很早就看到太陽、月亮、星辰每天圍繞地球東升西落,給人一種地球就是宇宙中心的感覺。從這個角度看,古人提出的地心說并沒有錯,因為這就是他們所看到的。Lku物理好資源網(原物理ok網)

雖然從我們今天的角度來看,古人是錯誤的,但別忘了,那是因為我們是站在“上帝的視角”來衡量古人的思維的。如果你拋開所學的知識,全身心投入到古代社會,我相信你也會認為地球是宇宙的中心。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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人們對世界的認識永遠是有限的,比如我們的眼睛只能看到可見光,而可見光只是電磁波譜中很窄的一部分,這就意味著人們看到的世界永遠是有限的,所以總結出來的科學理論也一定是有限的,而且這個局限性在任何時代都無法打破。Lku物理好資源網(原物理ok網)

就像牛頓提出的力學定律網校頭條,只適用于低速、低重力的世界,其實是有局限性的。在亞光速、強重力的環境下,牛頓力學定律是無效的,說白了就是錯的。但誰又會對牛頓要求過高呢?Lku物理好資源網(原物理ok網)

我們有生之年很難遇到亞光速和強引力環境,但在地球這個小范圍內,牛頓力學體系已經足夠精確,人們只需要對自己的觀察行為負責,在牛頓時代,只能觀察到地球范圍內物體的運動規律,得出的理論當然是科學理論。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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年輕一代當然尊重牛頓和他的力學體系,但科學家對任何理論都要求非常嚴格,總是千方百計地嘗試犯錯,尤其是在各種極端環境下,一旦發現與理論不符的地方,就會提出新的理論,然后不斷驗證新的理論。Lku物理好資源網(原物理ok網)

誰不想成為下一個“牛頓”?Lku物理好資源網(原物理ok網)

隨著人類科技水平的不斷提高,在20世紀前后,觀察水平有了質的提高,我們不僅能觀察到微小的量子世界,還能觀察到亞光速、強引力世界。Lku物理好資源網(原物理ok網)

物理學家發現,無論是在小尺度的微觀世界,還是在亞光速的世界,牛頓力學體系都存在著巨大的偏差,于是我們見證了相對論、量子力學的誕生,見證了偉大的愛因斯坦以及無數同樣偉大的物理學家。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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牛頓力學體系只是量子力學和相對論在低速、低重力宏觀世界的一個近似,或者可以說是一種特例。但這種近似在地球上已經足夠精確,我們一生都生活在地球上,所以牛頓力學仍然主宰著我們的生活。Lku物理好資源網(原物理ok網)

那么,為什么過了一百多年,相對論和量子力學仍然沒有重大突破呢?畢竟我們都知道,相對論和量子力學不可能是終點。Lku物理好資源網(原物理ok網)

有一個事實不容忽視物理學重大突破,幾百年前的牛頓時代,科學家基本上可以自己制作出很好的實驗儀器。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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但到了20世紀,特別是這個時代物理學重大突破,一個人單獨研制一個好的實驗儀器已經不現實了,至少需要一個團隊,甚至多個部門的通力合作才能完成。Lku物理好資源網(原物理ok網)

許多前沿科研項目特別是基礎科學理論研究,需要數千人協作才能完成,需要大量的經費和較長的周期。Lku物理好資源網(原物理ok網)

比如大型強子對撞機,是研究微觀世界最有效的設備,但建造粒子對撞機需要巨額資金,后續的維護成本也相當高昂,基本相當于一個無底洞,這也是為什么連美國這么富裕的國家,最終也放棄了建造對撞機。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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畢竟,即使對撞機建成了,誰也無法保證一定會有什么重大發現。Lku物理好資源網(原物理ok網)

當然,不僅僅是微觀世界,在更大的尺度上,科學家們對暗物質、暗能量兩大神秘領域的探索也十分渴望,這需要將大量精密的探測器發射到太空進行長期觀測,所需的人力物力也是驚人的。Lku物理好資源網(原物理ok網)

總之,當今科學發展已經不再是一個科學家單獨征服世界的時代,說白了,現在的科學界很難再出現像牛頓或者愛因斯坦這樣能夠“統一世界”的“大師”。Lku物理好資源網(原物理ok網)

特別是在科學發展過程中,無論微觀還是宏觀領域的觀察成本都過于昂貴,如果沒有辦法建造性能更優越的精密儀器來觀察更極端尺度的物理現象,基礎科學就很難取得重大突破。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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如今,包括我國在內的很多國家都加大了對基礎科學的投入。但其實大家都知道,基礎科學的投入回報率很低,至少要經過一個較長的投入周期才能得到一些回報。Lku物理好資源網(原物理ok網)

說白了,投入基礎科學更像是一種“吃力不討好”,短期內,甚至到最后都不會看到任何報道。這種可能性很大,因為沒人知道基礎科學未來的方向在哪里,最初的探索方向可能是錯的,這種情況下就不會有結果。Lku物理好資源網(原物理ok網)

因此,一百多年來基礎科學之所以遲遲沒有重大突破,與人類的智力無關,而是人類的觀測技術有限,無法在更極端的環境下觀測物質的運行。觀測水平的提高需要更精密的儀器,但科學儀器和實驗的投入有時就像一個“無底洞”,無論投入多少,到最后可能連一丁點水花都撈不到。Lku物理好資源網(原物理ok網)

超過。Lku物理好資源網(原物理ok網)

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