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asas66
勳爵士 | 2012-5-2 05:59:34

本帖最後由 asas66 於 2012-5-2 05:59 編輯

爲什麽牛頓的萬有引力定律很偉大?因爲之前會有人以爲,月亮是天上的,蘋果是人間的,“不是一個體系的”。雖然看起來確實沒聯系,但牛頓第一次告訴我們,無論在天上還是人間,都潛伏著同一個運動法則:一切事物之間都存在萬有引力;引力的強度和質量成正比,和質心距離的平方成反比。

相比之下,亞里士多德的理論就很狹隘:“重的物體下落快。”不能否認自然界中存在這樣的現象,但這個“規律”的適用范圍太小,前提條件太繁雜,做出的預言太乏力——作爲物理學理論的意義不大。

不過在事后諸葛亮看來,牛頓理論也隱含一個類似的瑕疵——他的動力學方程只有在相對靜止或遠低于光速的觀察者看來才是成立的。這和19世紀時描述電磁現象的麥克斯韋方程産生了矛盾。難道牛頓定律就像人間的蘋果,麥克斯韋定律就像天上的月亮,“不是一個體系的”?這就奇怪了,自然界爲什麽要存在兩種互不相容的定律呢?一定有問題!

后來,愛因斯坦提出了狹義相對論,將動力學和電磁學的定律統一在了同一個框架下,這就是爲什麽他的論文叫《論動體的電動力學》。狹義相對論認爲,無論你跑得多快,在你看來光速都是一樣的,不能像牛頓定律那樣把速度簡單地相加。所以,靜止的或勻速的觀察者得出的物理定律都是一樣的。此時,牛頓方程並沒有被打倒,而是成爲狹義相對論在低速時的特例。公正地說,狹義相對論擴充了牛頓定律。

那麽,爲啥還要接著提出一個廣義相對論呢?因爲在宇宙中,靜止的、勻速的觀察者比大熊貓還珍稀。所以狹義相對論的適用范圍還不夠大。要想徹底描述宏觀世界的運動規律,就必須考慮加速運動觀察者的感受——這就是廣義相對論的任務。廣義相對論的核心是愛因斯坦方程組,這個方程組“抽象的數學形式”在任何觀察者看來都是一樣的。

可以慶祝勝利了嗎?別高興太早。廣義相對論雖然獲得了巨大成功,但它只適用于宏觀世界,卻不適用于微觀世界——它總是和描述微觀世界的量子力學鬧別扭。例如,廣義相對論認爲時空是連續的、光滑的,量子力學認爲時空是分立的、起伏不平的。宏觀都是由微觀組成的。所以,廣義相對論還不是真正的引力理論,只能說它是未來的量子引力理論的一種特殊情況,就好像狹義相對論是廣義相對論在無引力時的特殊情況,牛頓運動定律是狹義相對論在低速時的特殊情況,同時牛頓引力定律是廣義相對論在低速弱引力時的特殊情況一樣。

因此,物理學特別重視普適性。物理學希望自己無所不包。並且,物理學和其它自然科學都有對應的接口——不同學科的定律都可以看作物理規律在複雜條件下的特殊形式。正面的例子是化學的元素周期律。爲什麽化學元素有這樣的周期?這是由核外電子的數量和分布決定的。爲什麽第一周期只有2種元素,第二周期卻有8種元素?因爲量子力學薛定谔方程的解允許原子核外的“1樓”住2個電子;“2樓”住8個電子。爲什麽“1樓”不能住3個電子?因爲“1樓”只有“2個房間”,根據泡利不相容原理,有幾個房間最多就只能住幾個電子。

再舉個反面的例子,有人根據“古人的智慧”堅持認爲,遙遠行星的運動會影響人類。當然,行星發射或反射的電磁波確實會影響你,但沒有顯示器的影響大。行星産生的引力也會影響你,但沒有坐電梯的影響大。所謂的占星、星座理論不但沒有科學依據,而且都違背了科學的原則,不應該對其效力抱有任何幻想。因此,任何描述自然現象的理論都必須和相應范圍內的物理學相容。如果一個理論既宣稱能描述自然現象,又狡辯和物理等科學理論“不是一個體系的”,“沒有深入研究過就不準批評”,那麽它要麽是錯的。要麽,連檢驗對錯的必要都沒有。
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