人类的 物理学 停滞不前了吗?
有人认为是,因为从 1905年爱因斯坦的狭义相对论 算起,再也没有另一个可以 与爱因斯坦相媲美的物理学家 出现。
然而有人却认为, 理论科学的发展 是需要 时间 的, 100年 的时间 太短 了。
人类最伟大的科学家爱因斯坦
那么我们应该怎样看待当今 物理学 「青黄不接」 的情况呢?想要解答这个疑问,我们就必须弄明白以下问题:
物理学诞生至今 有多少年 了? 如何划分 物理时代?爱因斯坦对物理学来说 意味着什么 ?未来的物理学又将 往何处发展 ?
看完之后,也许就能明白,为什么都过了 100多年 ,还没有出现 比肩爱因斯坦的科学家 ?
物理学巨人的正确思想推动人类科学技术的发展
物理学诞生至今有多少年了?
说出来你可能不信, 物理 是一个 历史久远的学科 ,它的诞生要追溯到 古希腊时期 。
大家耳熟能详的 亚里士多德、阿基米德等 人,就是那个时代 最伟大的物理学家 。
然而我们翻开史书又会发现,亚里士多德和阿基米德等人还 身兼数职 ,他们还有 哲学家、思想家 的身份。
「给我一个支点,我就能撬起整个地球」
这就不得不提到 物理学的前身 , 古希腊时期的 哲学 。
那个年代物理还没有被 正式划分 出来,因此这个时期的一些理论有很大的 局限性 。
比如亚里士多德认为 物体的运动 必须有 力 来维持, 力消失运动也会停止 。
此外他还有 「质量越大,下落速度就越快」 这种理论,并且亚里士多德也没办法进行 实验验证 ,那个时候的物理带有很浓重的 唯心主义 。
亚里士多德:古希腊著名思想家
让 物理学 脱胎于 古希腊哲学 的,是 伽利略的 比萨斜塔实验 。
伽利略用 一颗钉子和一根羽毛 证明了 物体下落的速度 与 质量 没有任何关系,从而挑战了亚里士多德长达 2000年 的 权威 。
之后 牛顿 更是发现了 力学中的奥秘 ,更 系统性 地建立了 属于物理的框架结构 。
至此 真正的物理学 才开始出现于人类的历史中,并将在随后的 300多年 里发扬光大。
伽利略的比萨斜塔小球实验
1905年 ,被称为 物理年 ,这一年 爱因斯坦 发表了 狭义相对论 ,标志着物理正式进入一个 新的时代 ,他的相对论和 普朗克的量子力学 ,共同构建起了 现代物理的框架 。
至此,人类的物理历史被分为了 三段 。
狭义相对论:平直时空理论
物理学的历史阶段如何划分?
第一段时期被称为 经验物理 ,指古希腊到伽利略、牛顿之前这段时间,跨度足足有 2000年 。
这一阶段的物理, 没有理论依据 ,完全凭借 人的观察和生活的经验 而发。代表人物:亚里士多德、阿基米德。
阿基米德:古希腊哲学家、数学家、物理学家
第二段时期被称为 经典物理 ,时间是伽利略、牛顿时代到20世纪初期。
这一阶段,物理开始 系统化 ,可以说宏观世界的 各种现象 几乎都被物理学家们总结了出来, 声、光、热、力、电 这五个大板块占据了物理学的大部分江山。
代表物理学家:伽利略、牛顿。
牛顿第二运动定律非线性拟合图
第三段时期被称为 现代物理 ,由 量子物理和相对论 构成,以19世纪末20世纪初的 量子物理 为开端,一直到我们今天。
从这一阶段开始,物理 从宏观到了微观 ,量子物理的理论也 颠覆了 一部分经典物理。
代表人物:普朗克、爱因斯坦。
量子物理包括两个部分:量子力学与量子场论
从这段历史中我们可以看出,物理每个阶段的发展都需要 很长的时间 ,尤其是 从经验物理到经典物理阶段 ,物理学家们花了 2000多年 的时间去打破之前 禁锢的枷锁 。
物理学巨匠也不是 每年都有 ,从亚里士多德到伽利略,从牛顿到爱因斯坦,这中间的间隔也 非常长 。
这个时候再回过头来看看爱因斯坦之后的 100年 ,是不是觉得这似乎 也没有过多久 。
并非每一代人都会如此 幸运 ,见证一个 物理大师 的诞生,见证一个 新物理理论 。
我们这一代无法见到一个 超越爱因斯坦的物理学家 ,再正常不过了,所以没有必要伤感 物理到达了尽头 。
毕竟,历史上的物理学家 也有过这样的想法 , 20世纪 的时候,他们认为物理学的发展已经到了 极限 。
爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元
物理学曾经陷入过什么误区?
1900年 ,著名 物理学家威廉·汤姆森 ,也就是 热学之父开尔文公爵 ,在发表跨年演讲的时候说到物理学系统已经 非常完善 ,这就像是盖楼,物理的大厦 已经完工 ,之后的物理学家们只需要 入住装修 。
就连当时的 普朗克 想要学习物理,他的老师都劝他 三思 ,因为在老师看来,学物理已经 没有「前途」 了。
其实这并不是开尔文等人 目光短浅 ,而是他所指的物理,是 经典物理 ,在他们那个时候看来, 宏观物理 能够研究的,都 研究得差不多了 ,已经没有什么 新的领域 再可以 拓展 。
威廉·汤姆森:英国的数学物理学家、工程师
而且物理学家们也发现,在 宏观物理 的上空盘踞着两朵 乌云 ,用现有的物理知识 无法解释 。
这便是历史上著名的 物理界乌云 : 以太学说的矛盾与紫外灾难 。
开尔文以及当时的物理学家们不会知道,这两朵乌云正在酝酿一场 巨大的「暴风雨」 。
这场「暴风雨」催生了 现代物理 ,它对经典物理的很多地方发出了 挑战 。
经典物理又称 宏观物理 ,在它的体系里面, 时间是时间,空间是空间 ,但在 相对论 里面,诞生了 时空 这一理论,从此 时间与运动 之间有了 关联 ,时间与空间是两个可以 相互影响的范畴 。
相对论的概念示意图
再比如,在经典物理中,物体的状态是 既定 的,不可能存在 模棱两可的形态 。
可是在 量子物理 中,就会存在 两种甚至多种 不确定状态。
现代物理的诞生 ,将人类的观察范围从 宏观世界 ,拓展到了 微观世界 ,物质的运动被精确到了 粒子 ,让人们明白了,小小的 原子核 也是有大大的 能量 。
可以说人类进入了 粒子时代 。
更巧妙的是, 量子物理的奠基人 普朗克 ,就是当年被老师劝着不要学物理的学生,他没有完全听从老师的建议,还是选择了物理。
普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家
由此可见,连物理学家们都有可能对物理 产生一定的误会 ,更别提我们 普通人 了。那么,为何我们会产生物理 停滞不前的错觉 呢?
为何我们会认为物理没有发展了?
我们通过回顾 物理学的历史 得知,想要诞生 新的物理体系 ,是一件 漫长 的事情,并非每一代人都能赶上 物理理论井喷的时期 。
物理学是当今最精密的一门自然科学学科
物理是一个 很庞大的学科分类 , 量子物理 也只是它的一个 分支 ,属于专门的研究方向。
没有谁一上来就会学习 现代物理 ,都是先从 经典物理 开始学起,除了物理专业的专家学者,很少有人 专门钻研 它。
也就是说,如果不是物理领域的人,一般人的物理知识还是更多在 经典物理 上。
因此我们可能就像20世纪之前的人们一样,认为物理 已经发展到极限 了。
还有就是,现在有些人 比较浮躁 ,看着100多年的时间没有 新的物理大发现 ,没有诞生爱因斯坦这样的 天才物理学家 ,就认为物理学已经到了 顶点 。
我们不应该因为有爱因斯坦和相对论,就去 否认 现在物理学家们的 成就 ,无法比肩爱因斯坦不能成为 衡量的唯一标准 。
如果这100多年的时间没有 发展 ,我们的世界就不会是 现在这个模样 。
「十年磨一剑,霜刃未曾试」,时间会给我们答案
物理学的发展需要薪火 代代相传 ,从古希腊的 经验物理 ,到伽利略和牛顿的 经典物理 ,跨度 2000年 的时间,这中间有 无数的物理学家 在架桥。