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為什麽基礎物理停滯不前?難道愛因斯坦的相對論誤導了物理學界?

2024-04-24科學

網絡上確實有這種聲音,基礎物理學已經很長時間沒有取得突破了,於是就認為相對論可能誤導了物理學界,從而導致基礎物理學停滯不前。

這裏我想說一句:一切皆有可能。確實存在相對論誤導物理學界的可能性,但即便真的如此,我們也不能否認過去的一百多年時間裏,相對論極大地指導了現代物理學的發展,而不是誤導。

同時,即便相對論被最終證明是「錯誤」的,我們也不能說相對論誤導了物理學界,這裏就牽扯到了科學的本質,後面會詳細講解。

先說說相對論的相關證據,有很多證據表明相對論的正確性。

比如說,邁克爾遜莫立實驗,雖然這個實驗的初衷並不是證明光速不變,但結果恰恰指向了光速不變,也是相對論的間接證據。

還有,科學家在實驗中證明了光在任何慣性系下運動的時間都是相同的。

第三,原子鐘在運動狀態下的頻率完全符合狹義相對論的表述,明顯地體現出了時間膨脹效應,也就是說時間是相對的。

以上都是狹義相對論的相關證據,廣義相對論的證據也有很多,比如說水星軌域近日點歲差觀測,也就是水星進動問題。

還有,科學家們觀測到光經過太陽附近時會發生扭曲,光的重力紅移等現象都是廣義相對論的有力證據。

同時,廣義相對論很早就預測出了黑洞這種神秘天體的存在,而天文學家也真的在2019年拍攝到了黑洞的首張照片。

相對論在哪些方面推動了物理學的發展呢?對於普通的吃瓜群眾來講,確實沒有多少機會和渠道去了解,這裏也只是簡單地列舉幾個方面。

在力學方面,最直接的體現就是質能方程式。

在電磁學領域,狹義相對論為電場在不同慣性系之間的轉換提供了近乎完美的規則。

在量子力學領域,狹義相對論已經與量子力學完美結合,進而誕生了新的理論,比如說量子電動力學,還有後來構建出來的相對論波動方程式,也就是狄拉克方程式,該方程式預測了正電子的存在。

廣義相對論的推動作用也很明顯,直接導致了重力波天文學的誕生,同時還涉及到了天體物理學,天文宇宙學等很多領域,具體體現在很多領域的研究。

比如說,重力引發的時間膨脹,光線彎曲,重力波,測地線進動,軌域衰減,重力透鏡效應,黑洞以及其他天體的預測,還有宇宙模型的建立等,都離不開廣義相對論。

當然,在我們日常生活中,相對論的作用也無處不在。我們日常生活離不開的導航系統,就需要利用相對論充分考慮到時間膨脹對導航系統的影響。還有電子顯微鏡和粒子加速器等儀器,都需要考慮到相對論效應,否則這些儀器都將失效。

說了這麽多,可能你還不服氣,無論如何都不相信相對論。沒關系,我也不是相對論的專家,不會去強迫你接受相對論,說實話我對相對論的理解也談不上有多全面,下面就換一種思維方式來解讀相對論。

也就是對科學本質的解讀,文章開頭也提到了這點。

科學的本質是什麽?面對這個問題,可能很多人會一臉懵逼。通俗來講,科學的本質其實就是假設,所謂「大膽假設,小心求證」就是對任何科學理論的最好描述。

任何科學理論都是建立在假設的基礎上推匯出來的,當然,這裏的假設並不是拍腦門自己臆想出來的假設,而是建立在對客觀世界不斷觀察和大量實驗基礎上進行的假設,符合最終的實驗結果。

就拿牛頓經典力學來講,它是正確的嗎?

只能說,在時速和低重力世界,牛頓經典力學是正確的,但這種「正確」而已是相對的,嚴格來講,即便是在我們生活的低速世界,牛頓經典力學也是「錯誤」的,但誤差非常微小,以至於完全可以忽略不計,不會對我們生活有什麽影響。

為什麽牛頓經典力學是「錯誤」的?因為牛頓經典力學是建立在絕對時空觀基礎上的理論,而我們所在的時空並不是絕對的,而是相對的。

這就是局限性的直接體現,任何時代都有無法突破的局限性,牛頓時代根本不可能突破絕對時空觀的束縛。

既然,牛頓經典力學是「錯誤」的,理論上錯誤的東西肯定會誤導物理學的發展,但事實上呢?牛頓經典力學與相對論一樣,都極大地推動了人類物理學的發展。

如果非說誤導的話,也不是一點沒有。在19世紀末20世紀初,牛頓的絕對時空觀思想確實在一定程度上束縛了物理學家們的思維,不然相對論可能會早幾年就誕生了。

而相對論是以四維時空為背景,相對論適用於四維時空。理論上講,如果真的存在高維度時空,相對論可能就不再適用了。

也就是說,與「牛頓經典力學在高速世界是錯誤的」一樣,相對論在高維度空間也可能是「錯誤的」。

但即便如此,我們也不能說相對論就是錯誤的,正如直到今天我們也不會說「牛頓經典力學是錯誤的」,事實上統治我們日常生活的反倒仍舊是牛頓力學,而不是相對論,原因很簡單,因為我們生活在低速世界。

所以,如果將來某天科學家發現了高維度時空存在的證據,並建立起了更高一級的物理定律來描述高維度世界,而相對論只是更高一級的物理定律在四維時空的特例,我們也不能說相對論就是錯誤的。

原因很簡單,我們就是生活在四維時空!