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为什么基础物理停滞不前?难道爱因斯坦的相对论误导了物理学界?

2024-04-24科学

网络上确实有这种声音,基础物理学已经很长时间没有取得突破了,于是就认为相对论可能误导了物理学界,从而导致基础物理学停滞不前。

这里我想说一句:一切皆有可能。确实存在相对论误导物理学界的可能性,但即便真的如此,我们也不能否认过去的一百多年时间里,相对论极大地指导了现代物理学的发展,而不是误导。

同时,即便相对论被最终证明是「错误」的,我们也不能说相对论误导了物理学界,这里就牵扯到了科学的本质,后面会详细讲解。

先说说相对论的相关证据,有很多证据表明相对论的正确性。

比如说,迈克尔逊莫雷实验,虽然这个实验的初衷并不是证明光速不变,但结果恰恰指向了光速不变,也是相对论的间接证据。

还有,科学家在实验中证明了光在任何惯性系下运动的时间都是相同的。

第三,原子钟在运动状态下的频率完全符合狭义相对论的表述,明显地体现出了时间膨胀效应,也就是说时间是相对的。

以上都是狭义相对论的相关证据,广义相对论的证据也有很多,比如说水星轨道近日点岁差观测,也就是水星进动问题。

还有,科学家们观测到光经过太阳附近时会发生扭曲,光的引力红移等现象都是广义相对论的有力证据。

同时,广义相对论很早就预测出了黑洞这种神秘天体的存在,而天文学家也真的在2019年拍摄到了黑洞的首张照片。

相对论在哪些方面推动了物理学的发展呢?对于普通的吃瓜群众来讲,确实没有多少机会和渠道去了解,这里也只是简单地列举几个方面。

在力学方面,最直接的体现就是质能方程。

在电磁学领域,狭义相对论为电场在不同惯性系之间的转换提供了近乎完美的规则。

在量子力学领域,狭义相对论已经与量子力学完美结合,进而诞生了新的理论,比如说量子电动力学,还有后来构建出来的相对论波动方程,也就是狄拉克方程,该方程预测了正电子的存在。

广义相对论的推动作用也很明显,直接导致了引力波天文学的诞生,同时还涉及到了天体物理学,天文宇宙学等很多领域,具体体现在很多领域的研究。

比如说,引力引发的时间膨胀,光线弯曲,引力波,测地线进动,轨道衰减,引力透镜效应,黑洞以及其他天体的预测,还有宇宙模型的建立等,都离不开广义相对论。

当然,在我们日常生活中,相对论的作用也无处不在。我们日常生活离不开的导航系统,就需要利用相对论充分考虑到时间膨胀对导航系统的影响。还有电子显微镜和粒子加速器等仪器,都需要考虑到相对论效应,否则这些仪器都将失效。

说了这么多,可能你还不服气,无论如何都不相信相对论。没关系,我也不是相对论的专家,不会去强迫你接受相对论,说实话我对相对论的理解也谈不上有多全面,下面就换一种思维方式来解读相对论。

也就是对科学本质的解读,文章开头也提到了这点。

科学的本质是什么?面对这个问题,可能很多人会一脸懵逼。通俗来讲,科学的本质其实就是假设,所谓「大胆假设,小心求证」就是对任何科学理论的最好描述。

任何科学理论都是建立在假设的基础上推导出来的,当然,这里的假设并不是拍脑门自己臆想出来的假设,而是建立在对客观世界不断观察和大量实验基础上进行的假设,符合最终的实验结果。

就拿牛顿经典力学来讲,它是正确的吗?

只能说,在时速和低引力世界,牛顿经典力学是正确的,但这种「正确」而已是相对的,严格来讲,即便是在我们生活的低速世界,牛顿经典力学也是「错误」的,但误差非常微小,以至于完全可以忽略不计,不会对我们生活有什么影响。

为什么牛顿经典力学是「错误」的?因为牛顿经典力学是建立在绝对时空观基础上的理论,而我们所在的时空并不是绝对的,而是相对的。

这就是局限性的直接体现,任何时代都有无法突破的局限性,牛顿时代根本不可能突破绝对时空观的束缚。

既然,牛顿经典力学是「错误」的,理论上错误的东西肯定会误导物理学的发展,但事实上呢?牛顿经典力学与相对论一样,都极大地推动了人类物理学的发展。

如果非说误导的话,也不是一点没有。在19世纪末20世纪初,牛顿的绝对时空观思想确实在一定程度上束缚了物理学家们的思维,不然相对论可能会早几年就诞生了。

而相对论是以四维时空为背景,相对论适用于四维时空。理论上讲,如果真的存在高维度时空,相对论可能就不再适用了。

也就是说,与「牛顿经典力学在高速世界是错误的」一样,相对论在高维度空间也可能是「错误的」。

但即便如此,我们也不能说相对论就是错误的,正如直到今天我们也不会说「牛顿经典力学是错误的」,事实上统治我们日常生活的反倒仍旧是牛顿力学,而不是相对论,原因很简单,因为我们生活在低速世界。

所以,如果将来某天科学家发现了高维度时空存在的证据,并建立起了更高一级的物理定律来描述高维度世界,而相对论只是更高一级的物理定律在四维时空的特例,我们也不能说相对论就是错误的。

原因很简单,我们就是生活在四维时空!