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史上顶级物理学家最爱争论的问题,400年引发人类4次认知革命

4次认知革命

第一次认知革命

400多年前,一位40来岁的中年男子,他正在忙着测量光的速度,此时他手持着计时的工具,并点亮油灯,等待着几公里外再次传来的光。但是光速实在太快了,他们没能测得光速的准确值。

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这次的失败并没影响到他在人类历史上的地位,他善于用实验来寻找因果,还打造了许多实验工具,比如:望远镜,为此狠狠地挣了一笔。通过望远镜,他发现了木星也是有自己的卫星,从根本上颠覆了地心说的根基:天体都是绕着地球转。

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在那个时代,他就是个异类,除了发现许多颠覆三观的天文学现象,他还喜欢玩思想实验,他曾经想象如果有一个人在一个密封的船舱里,这艘船行驶的速度接近于匀速,这时候船舱内的人很难分得清船是不是在动,如果这个人原地起跳,他还会落到原地,他把人随着船在动的这种现象叫做自然属性,我们现在管这个叫做惯性。

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他的思考和解决问题的方法被后人津津乐道,一次次颠覆着那个时代固有的认知,刷新了人们对于宇宙的认识,他也被誉为物理学之父。没错,他就是伽利略。

伽利略可能从来不会想到他的测光速实验和对于惯性的思考打开了潘多拉的盒子,前者其实是狭义相对论的起点,而后者则是广义相对论的起点。

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第二次认知革命

伽利略去世后没多久,一位天才横空出世,他继承了伽利略的衣钵,把物理学推向了一个全新的高度,这位天才就是牛顿。他还对伽利略的理论进一步的体系化。有人曾说:天不生牛顿,万古如长夜。

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这主要是因为牛顿竟然仅仅通过纸和笔就准确地描绘了世界运转的规律,还能准确预测各种现象,这让牛顿时代的人佩服得五体投地,也让许多学者认为人类是可以触碰到了宇宙的终极奥义。于是,人类开始在牛顿指引的道路上疯狂发展,并塑造了如今的科技文明。这是前无古人的,但在物理学史上,这却是后有来者的,那他们是谁?

第三次认知革命

无争论不学术,在牛顿之后,物理学界高手频出,然而在随后的200年里,唯一能够比肩牛顿的只有另一个英国的天才,他就是麦克斯韦,他和牛顿最像的地方莫过于数学超级好。

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在麦克斯韦初出茅庐时,物理学家们都在电和磁的领域疯狂试探,他的前辈法拉第无限接近于统一“电”和“磁”的现象,但因为数学不好最终失败了。

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麦克斯韦在前辈的基础上大胆假设,小心求证,得到了著名的麦克斯韦方程,成功地完成了前辈未竟的事业,成功了统一了“电”和“磁”。麦克斯韦方程获得了与牛顿力学同样的成功,突破了人类对于电磁学的固有认知,同时还揭开了第二次工业革命的序幕,人类开始步入了电气时代。

第四次认知革命

然而细心的科学家却发现,麦克斯韦方程和牛顿理论在“光速”上格格不入。那牛顿和麦克斯韦在光速的问题上是如何不对付的呢?

按照牛顿的理论,探讨光速就需要找个参考系,然而麦克斯韦理论下得到光速并没有假设参考系的存在。麦克斯韦方程下得到的光速c=1/ε0μ0,其中ε0,μ0都是常数,因此光速也是常数。

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于是,科学家们为了不让两个伟大的理论之间存在矛盾,假设了存在绝对的参考系,光相对参考系中传播,速度就是光速。如果一定要这样假设,那就必须找到绝对参考系,科学家也把绝对参考系叫做:以太。可惜,科学家们花了几十年时间用各种办法都没能证明以太的存在,相反实验结果却更倾向于以太不存在。

就在科学家们都束手无策时,一位26岁的瑞士伯尔尼专利局的三级技术员,在1905年连续发表了4篇具有开创性的论文,其中第三篇就解决了这个问题,发表这些论文的作者就是大名鼎鼎的爱因斯坦,而这一年也被历史所铭记,被称为爱因斯坦奇迹年。

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在这篇论文中,爱因斯坦假设了光速在任意惯性参考系下都是不变的,这就是光速不变原理。其次,假定绝对参考系是不存在的,利用洛伦兹变换得到一组全新的描述运动的方程组。在爱因斯坦之前就有物理学家洛伦兹已经得到了这样的方程,只不过他无法接受绝对参考系不存在的事实。而爱因斯坦领会了这组方程的物理学含义,并且精准地描述出来。

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通过这组方程,我们知道,物体的运动也会改变时间和空间。因此,在相对论中,光速是绝对的,而其他的物理量都是相对论,当一个速度相对于其他物体达到接近光速时,时空和空间也相对于其他物体出现不同,比如:高速运动状态下,时间会膨胀。

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再比如:高速运动状态下,尺寸会收缩,下面三图分别是:飞船以0.1倍光速,0.8光速和0.9倍光速掠过上空,地面上的人看到的情景。

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其次,同样的一件事情,不同的人由于运动状态的不同,他们看到的这件事件发生的时间可能是不同的,这也被称为同时性的相对性。在此之前,庞加莱也曾经思考过这个问题,但也没有得到狭义相对论。

由于人类所生活的世界是宏观低速的世界,所接触的物理学现象也是宏观低速世界的物理学现象,而牛顿理论就非常好地适配了宏观低速的情况。而相对论的涵盖面更广,在宏观低速下,牛顿理论是等价于相对论的,而到了接近于光速的高速状态下,实际上,牛顿理论就已经不是很准确了,这时候只能用相对论。

不过,人类不太可能会面临到超高速的情况,所以很难理解相对论的这些结论,但它们实际上都已经被实验所验证。可以说,爱因斯坦的狭义相对论又一次突破了人类的固有认知。而且这次的突破也同样是非常难能可贵,杨振宁在文章《机遇与眼光》就曾写到,

洛伦兹有数学,却没有物理学;庞加莱有哲学,却也没有物理学。 26 岁的爱因斯坦正是敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

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从伽利略测光速,再到牛顿力学,伽利略方程,最后到狭义相对论,人类一次次的突破认知壁垒,刷新自己的世界观,这整整花了近400年的时间,但这些同时也是人类宝贵的财富。

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