在数字时代的喧嚣中,有一种论调悄然兴起,即基础物理学长久未能突破,可能与相对论的指引误入歧途有关。
在此,笔者想提出一个观点:一切皆有其可能性。的确,相对论可能对物理学界产生了误导,然而,在过去的一个多世纪里,相对论对现代物理学的巨大推动作用是不容忽视的,它并非误导,而是启迪。
此外,即便相对论最终被证明存在局限,我们亦不能就此断言其误导了物理学界。科学的真谛是何物?这将是我们稍后深入探讨的话题。
首先,让我们来探讨一些支持相对论的证据。例如,迈克尔逊-莫雷实验,尽管其初衷并非验证光速恒定,但其结果却意外地证实了这一点,成为相对论的重要佐证。
还有,实验已证实,在所有惯性系中,光的运动时间保持一致。
第三,运动中的原子钟其频率变化与狭义相对论所预测的时间膨胀现象完全吻合,这表明时间是相对性的。
上述为狭义相对论的证据,而广义相对论亦有众多支持之证据,例如水星近日点进动问题。
此外,科学家们观察到,当光线经过太阳附近时会发生弯曲,光的引力红移现象也是广义相对论的有力证明。
广义相对论还预言了黑洞的存在,而天文学家们在2019年果然拍摄到了黑洞的照片。
那么,相对论在推进物理学发展方面做出了哪些贡献?对于普通人来说,了解这些贡献的渠道并不多,以下只是简单列举一些方面。
在力学领域,最明显的就是质能等式。
在电磁学方面,狭义相对论为不同惯性系间电场的转换提供了完美的规则。
在量子力学界,狭义相对论与量子力学的结合诞生了量子电动力学等新理论,狄拉克方程的提出预示了正电子的存在。
广义相对论在诸多方面亦有显著贡献,它直接催生了引力波天文学,并广泛应用于天体物理、宇宙学等多个研究领域。
例如,由引力引起的时间膨胀、光线弯曲、引力波、测地线进动、轨道衰减、引力透镜效应、黑洞及其他天体的预测,乃至宇宙模型的构建,无不与广义相对论息息相关。
在日常生活中,我们也离不开相对论,例如需要考虑到时间膨胀效应的导航系统,或是电子显微镜和粒子加速器等设备的运作都离不开相对论的原理。
或许你对相对论抱有异议,无论如何都拒绝接受它。这无妨,我本人也不是相对论的权威,不会强迫你相信它。坦白说,我自己对相对论的理解也非全盘掌握。接下来,让我们换一个角度,探讨一下科学的本真,这也是文章开篇所提及的主题。
科学的本真究竟是什么?这个问题或许让许多人感到困惑。简单来说,科学的本真便是假设,“大胆假设,小心求证”正是对任何科学理论的精确概括。
科学理论的建立基于假设,这些假设并非空想,而是建立在对自然界不断观察及实验的基础之上,且最终得到实验的证实。
以牛顿经典力学为例,它是否正确?
只能说,在低速、低引力的环境中,牛顿经典力学是正确的。但这种正确性具有相对性,严格来讲,即使是在我们所生活的低速世界,牛顿经典力学也存在局限,只不过误差微乎其微,对我们的生活毫无影响。
为什么牛顿经典力学存在局限?因为它建立在绝对时空观之上,而我们所处的时空并非绝对,而是相对的。
这就体现了时代的局限性,每个时代都有无法突破的限制,牛顿时代无法摆脱绝对时空观的束缚。
既然牛顿经典力学存在局限,理论上讲它可能会误导物理学的发展。然而,事实上,牛顿经典力学和相对论都极大促进了物理学的进步。
如果一定要说误导,那也仅仅是一点点。在19世纪末20世纪初,牛顿的绝对时空观在一定程度上束缚了物理学家的思考,否则相对论可能更早问世。
相对论则以四维时空为前提,它适用于四维时空。理论上来讲,如果存在高维时空,相对论可能就不再适用。
也就是说,正如“牛顿经典力学在高速世界中是局限的”,相对论在高维空间也可能存在局限。
然而,即便如此,我们也不能断言相对论就是错误的。正如今日我们不会说“牛顿经典力学是错误的”,事实上,在我们日常生活中占据主导的仍然是牛顿力学而非相对论,原因无他,只因我们生活在低速世界。
因此,倘若未来科学家们发现高维时空的证据,并以此建立新的物理定律以描述高维世界,而相对论只是这一高级物理定律在四维时空的特殊情形,我们亦不能轻易说相对论是错误的。
原因无他,只因我们正生活在四维时空之中。
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