人類的 物理學 停滯不前了嗎?
有人認為是,因為從 1905年愛因斯坦的狹義相對論 算起,再也沒有另一個可以 與愛因斯坦相媲美的物理學家 出現。
然而有人卻認為, 理論科學的發展 是需要 時間 的, 100年 的時間 太短 了。
人類最偉大的科學家愛因斯坦
那麽我們應該怎樣看待當今 物理學 「青黃不接」 的情況呢?想要解答這個疑問,我們就必須弄明白以下問題:
物理學誕生至今 有多少年 了? 如何劃分 物理時代?愛因斯坦對物理學來說 意味著什麽 ?未來的物理學又將 往何處發展 ?
看完之後,也許就能明白,為什麽都過了 100多年 ,還沒有出現 比肩愛因斯坦的科學家 ?
物理學巨人的正確思想推動人類科學技術的發展
物理學誕生至今有多少年了?
說出來你可能不信, 物理 是一個 歷史久遠的學科 ,它的誕生要追溯到 古希臘時期 。
大家耳熟能詳的 亞里士多德、阿基米德等 人,就是那個時代 最偉大的物理學家 。
然而我們翻開史書又會發現,亞里士多德和阿基米德等人還 身兼數職 ,他們還有 哲學家、思想家 的身份。
「給我一個支點,我就能撬起整個地球」
這就不得不提到 物理學的前身 , 古希臘時期的 哲學 。
那個年代物理還沒有被 正式劃分 出來,因此這個時期的一些理論有很大的 局限性 。
比如亞里士多德認為 物體的運動 必須有 力 來維持, 力消失運動也會停止 。
此外他還有 「質素越大,下落速度就越快」 這種理論,並且亞里士多德也沒辦法進行 實驗驗證 ,那個時候的物理帶有很濃重的 唯心主義 。
亞里士多德:古希臘著名思想家
讓 物理學 脫胎於 古希臘哲學 的,是 伽利略的 披薩斜塔實驗 。
伽利略用 一顆釘子和一根羽毛 證明了 物體下落的速度 與 質素 沒有任何關系,從而挑戰了亞里士多德長達 2000年 的 權威 。
之後 牛頓 更是發現了 力學中的奧秘 ,更 系統性 地建立了 屬於物理的框架結構 。
至此 真正的物理學 才開始出現於人類的歷史中,並將在隨後的 300多年 裏發揚光大。
伽利略的披薩斜塔小球實驗
1905年 ,被稱為 物理年 ,這一年 愛因斯坦 發表了 狹義相對論 ,標誌著物理正式進入一個 新的時代 ,他的相對論和 普朗克的量子力學 ,共同構建起了 現代物理的框架 。
至此,人類的物理歷史被分為了 三段 。
狹義相對論:平直時空理論
物理學的歷史階段如何劃分?
第一段時期被稱為 經驗物理 ,指古希臘到伽利略、牛頓之前這段時間,跨度足足有 2000年 。
這一階段的物理, 沒有理論依據 ,完全憑借 人的觀察和生活的經驗 而發。代表人物:亞里士多德、阿基米德。
阿基米德:古希臘哲學家、數學家、物理學家
第二段時期被稱為 經典物理 ,時間是伽利略、牛頓時代到20世紀初期。
這一階段,物理開始 系統化 ,可以說宏觀世界的 各種現象 幾乎都被物理學家們總結了出來, 聲、光、熱、力、電 這五個大板塊占據了物理學的大部份江山。
代表物理學家:伽利略、牛頓。
牛頓第二運動定律非線性擬合圖
第三段時期被稱為 現代物理 ,由 量子物理和相對論 構成,以19世紀末20世紀初的 量子物理 為開端,一直到我們今天。
從這一階段開始,物理 從宏觀到了微觀 ,量子物理的理論也 顛覆了 一部份經典物理。
代表人物:普朗克、愛因斯坦。
量子物理包括兩個部份:量子力學與量子場論
從這段歷史中我們可以看出,物理每個階段的發展都需要 很長的時間 ,尤其是 從經驗物理到經典物理階段 ,物理學家們花了 2000多年 的時間去打破之前 禁錮的枷鎖 。
物理學巨匠也不是 每年都有 ,從亞里士多德到伽利略,從牛頓到愛因斯坦,這中間的間隔也 非常長 。
這個時候再回過頭來看看愛因斯坦之後的 100年 ,是不是覺得這似乎 也沒有過多久 。
並非每一代人都會如此 幸運 ,見證一個 物理大師 的誕生,見證一個 新物理理論 。
我們這一代無法見到一個 超越愛因斯坦的物理學家 ,再正常不過了,所以沒有必要傷感 物理到達了盡頭 。
畢竟,歷史上的物理學家 也有過這樣的想法 , 20世紀 的時候,他們認為物理學的發展已經到了 極限 。
愛因斯坦開創了現代科學技術新紀元
物理學曾經陷入過什麽誤區?
1900年 ,著名 物理學家威廉·湯姆森 ,也就是 熱學之父克耳文公爵 ,在發表跨年演講的時候說到物理學系統已經 非常完善 ,這就像是蓋樓,物理的大廈 已經完工 ,之後的物理學家們只需要 入住裝修 。
就連當時的 普朗克 想要學習物理,他的老師都勸他 三思 ,因為在老師看來,學物理已經 沒有「前途」 了。
其實這並不是克耳文等人 目光短淺 ,而是他所指的物理,是 經典物理 ,在他們那個時候看來, 宏觀物理 能夠研究的,都 研究得差不多了 ,已經沒有什麽 新的領域 再可以 拓展 。
威廉·湯姆森:英國的數學物理學家、工程師
而且物理學家們也發現,在 宏觀物理 的上空盤踞著兩朵 烏雲 ,用現有的物理知識 無法解釋 。
這便是歷史上著名的 物理界烏雲 : 以太學說的矛盾與紫外災難 。
克耳文以及當時的物理學家們不會知道,這兩朵烏雲正在醞釀一場 巨大的「暴風雨」 。
這場「暴風雨」催生了 現代物理 ,它對經典物理的很多地方發出了 挑戰 。
經典物理又稱 宏觀物理 ,在它的體系裏面, 時間是時間,空間是空間 ,但在 相對論 裏面,誕生了 時空 這一理論,從此 時間與運動 之間有了 關聯 ,時間與空間是兩個可以 相互影響的範疇 。
相對論的概念示意圖
再比如,在經典物理中,物體的狀態是 既定 的,不可能存在 模棱兩可的形態 。
可是在 量子物理 中,就會存在 兩種甚至多種 不確定狀態。
現代物理的誕生 ,將人類的觀察範圍從 宏觀世界 ,拓展到了 微觀世界 ,物質的運動被精確到了 粒子 ,讓人們明白了,小小的 原子核 也是有大大的 能量 。
可以說人類進入了 粒子時代 。
更巧妙的是, 量子物理的奠基人 普朗克 ,就是當年被老師勸著不要學物理的學生,他沒有完全聽從老師的建議,還是選擇了物理。
普朗克和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家
由此可見,連物理學家們都有可能對物理 產生一定的誤會 ,更別提我們 普通人 了。那麽,為何我們會產生物理 停滯不前的錯覺 呢?
為何我們會認為物理沒有發展了?
我們透過回顧 物理學的歷史 得知,想要誕生 新的物理體系 ,是一件 漫長 的事情,並非每一代人都能趕上 物理理論井噴的時期 。
物理學是當今最精密的一門自然科學學科
物理是一個 很龐大的學科分類 , 量子物理 也只是它的一個 分支 ,屬於專門的研究方向。
沒有誰一上來就會學習 現代物理 ,都是先從 經典物理 開始學起,除了物理專業的專家學者,很少有人 專門鉆研 它。
也就是說,如果不是物理領域的人,一般人的物理知識還是更多在 經典物理 上。
因此我們可能就像20世紀之前的人們一樣,認為物理 已經發展到極限 了。
還有就是,現在有些人 比較浮躁 ,看著100多年的時間沒有 新的物理大發現 ,沒有誕生愛因斯坦這樣的 天才物理學家 ,就認為物理學已經到了 頂點 。
我們不應該因為有愛因斯坦和相對論,就去 否認 現在物理學家們的 成就 ,無法比肩愛因斯坦不能成為 衡量的唯一標準 。
如果這100多年的時間沒有 發展 ,我們的世界就不會是 現在這個模樣 。
「十年磨一劍,霜刃未曾試」,時間會給我們答案
物理學的發展需要薪火 代代相傳 ,從古希臘的 經驗物理 ,到伽利略和牛頓的 經典物理 ,跨度 2000年 的時間,這中間有 無數的物理學家 在架橋。