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相对论和量子力学为何诞生百年仍具颠覆性?

更新时间:2024-08-02 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

现代物理学的两大基石就是相对论量子力学,而这两个理论已经存在了百余年,也就是说在过去的一百年里,人类在基础物理学领域并没有取得太大的突破。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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虽然规范场论、粒子标准模型,甚至弦理论也让人大开眼界,但它们并不像相对论对牛顿经典力学的颠覆性那么强,量子力学更是颠覆了人们的传统认知,彻底颠覆了我们的世界观、人生观。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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为什么会出现这种情况呢?今天我们就一起来探讨一下这个问题。xUt物理好资源网(原物理ok网)

讲科学,首先要明白科学理论是怎么诞生的,其实这个问题比较复杂,但很多学者认为科学源于哲学思维。xUt物理好资源网(原物理ok网)

哲学一般都是以纯思辨的方式去思考问题,总让人感觉脱离现实。然而,随着哲学的不断发展,它开始越来越与现实相结合。只有深入现实,才能更好地服务于人类。xUt物理好资源网(原物理ok网)

地心说模型的诞生就是这一点的最好体现。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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现在我们知道地心说是错误的,但是即使它是错误的,在某种程度上,我们也不能否认地心说是一种科学理论。为什么呢?xUt物理好资源网(原物理ok网)

很简单,因为地心说非常符合科学理论的范式,科学不等于正确。xUt物理好资源网(原物理ok网)

一个合格的科学理论,必须对观察到的现象负责。古人很早就看到太阳、月亮、星辰每天围绕地球东升西落,给人一种地球就是宇宙中心的感觉。从这个角度看,古人提出的地心说并没有错,因为这就是他们所看到的。xUt物理好资源网(原物理ok网)

虽然从我们今天的角度来看,古人是错误的,但别忘了,那是因为我们是站在“上帝的视角”来衡量古人的思维的。如果你抛开所学的知识,全身心投入到古代社会,我相信你也会认为地球是宇宙的中心。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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人们对世界的认识永远是有限的,比如我们的眼睛只能看到可见光,而可见光只是电磁波谱中很窄的一部分,这就意味着人们看到的世界永远是有限的,所以总结出来的科学理论也一定是有限的,而且这个局限性在任何时代都无法打破。xUt物理好资源网(原物理ok网)

就像牛顿提出的力学定律网校头条,只适用于低速、低重力的世界,其实是有局限性的。在亚光速、强重力的环境下,牛顿力学定律是无效的,说白了就是错的。但谁又会对牛顿要求过高呢?xUt物理好资源网(原物理ok网)

我们有生之年很难遇到亚光速和强引力环境,但在地球这个小范围内,牛顿力学体系已经足够精确,人们只需要对自己的观察行为负责,在牛顿时代,只能观察到地球范围内物体的运动规律,得出的理论当然是科学理论。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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年轻一代当然尊重牛顿和他的力学体系,但科学家对任何理论都要求非常严格,总是千方百计地尝试犯错,尤其是在各种极端环境下,一旦发现与理论不符的地方,就会提出新的理论,然后不断验证新的理论。xUt物理好资源网(原物理ok网)

谁不想成为下一个“牛顿”?xUt物理好资源网(原物理ok网)

随着人类科技水平的不断提高,在20世纪前后,观察水平有了质的提高,我们不仅能观察到微小的量子世界,还能观察到亚光速、强引力世界。xUt物理好资源网(原物理ok网)

物理学家发现,无论是在小尺度的微观世界,还是在亚光速的世界,牛顿力学体系都存在着巨大的偏差,于是我们见证了相对论、量子力学的诞生,见证了伟大的爱因斯坦以及无数同样伟大的物理学家。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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牛顿力学体系只是量子力学和相对论在低速、低重力宏观世界的一个近似,或者可以说是一种特例。但这种近似在地球上已经足够精确,我们一生都生活在地球上,所以牛顿力学仍然主宰着我们的生活。xUt物理好资源网(原物理ok网)

那么,为什么过了一百多年,相对论和量子力学仍然没有重大突破呢?毕竟我们都知道,相对论和量子力学不可能是终点。xUt物理好资源网(原物理ok网)

有一个事实不容忽视物理学重大突破,几百年前的牛顿时代,科学家基本上可以自己制作出很好的实验仪器。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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但到了20世纪,特别是这个时代物理学重大突破,一个人单独研制一个好的实验仪器已经不现实了,至少需要一个团队,甚至多个部门的通力合作才能完成。xUt物理好资源网(原物理ok网)

许多前沿科研项目特别是基础科学理论研究,需要数千人协作才能完成,需要大量的经费和较长的周期。xUt物理好资源网(原物理ok网)

比如大型强子对撞机,是研究微观世界最有效的设备,但建造粒子对撞机需要巨额资金,后续的维护成本也相当高昂,基本相当于一个无底洞,这也是为什么连美国这么富裕的国家,最终也放弃了建造对撞机。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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毕竟,即使对撞机建成了,谁也无法保证一定会有什么重大发现。xUt物理好资源网(原物理ok网)

当然,不仅仅是微观世界,在更大的尺度上,科学家们对暗物质、暗能量两大神秘领域的探索也十分渴望,这需要将大量精密的探测器发射到太空进行长期观测,所需的人力物力也是惊人的。xUt物理好资源网(原物理ok网)

总之,当今科学发展已经不再是一个科学家单独征服世界的时代,说白了,现在的科学界很难再出现像牛顿或者爱因斯坦这样能够“统一世界”的“大师”。xUt物理好资源网(原物理ok网)

特别是在科学发展过程中,无论微观还是宏观领域的观察成本都过于昂贵,如果没有办法建造性能更优越的精密仪器来观察更极端尺度的物理现象,基础科学就很难取得重大突破。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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如今,包括我国在内的很多国家都加大了对基础科学的投入。但其实大家都知道,基础科学的投入回报率很低,至少要经过一个较长的投入周期才能得到一些回报。xUt物理好资源网(原物理ok网)

说白了,投入基础科学更像是一种“吃力不讨好”,短期内,甚至到最后都不会看到任何报道。这种可能性很大,因为没人知道基础科学未来的方向在哪里,最初的探索方向可能是错的,这种情况下就不会有结果。xUt物理好资源网(原物理ok网)

因此,一百多年来基础科学之所以迟迟没有重大突破,与人类的智力无关,而是人类的观测技术有限,无法在更极端的环境下观测物质的运行。观测水平的提高需要更精密的仪器,但科学仪器和实验的投入有时就像一个“无底洞”,无论投入多少,到最后可能连一丁点水花都捞不到。xUt物理好资源网(原物理ok网)

超过。xUt物理好资源网(原物理ok网)

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