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在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?

发布时间:2019-06-10 11:14:25  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:152

      每当我们提起人类文明的发展,大多数人都会沿着历史线走一遍,从石器时代到几大文明,再到文艺复兴、大航海,工业革命等等,这当中最为有名的就是《世界文明史》的作者:威尔·杜兰特。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      威尔·杜兰特
      也有一些学者会提出一些脉络化的思想,比如:《全球通史》的作者L·S·斯塔夫里阿诺斯,从整体的思考框架去讲述人类文明的发展。他们都是顶级的学者,但是他们的作品浩如烟海,想要读完对于一般人来说是很大的负担,更不用完全理解清楚。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      今天,我来给你讲一个极为特别的角度,这个角度可以帮我们从上帝的视角俯瞰人类文明的发展历史和发展方向,从这个视角还能帮我们了解未来人类文明的走势。
      这个视角是由加州理工学院数学系教授、东京大学理论物理研究所主任大栗博司在他的科普著作《引力是什么?》里提出的:人类文明的“10亿米”阶梯。他在书中是这么说的:
      回顾过往,物理学的发展是以“10亿米”的台阶一步一步往上或向下探索世界的。
      那这句话该如何理解呢?
      “1-10亿米”的世界
      这事要从原始人说起,原始时代的人只对和自己个头,或者说尺度相近的范围感兴趣。
      后来,古代文明兴起,农业文明开始发展,人们为了更好地种地,就需要制作出时间表(日历),这就需要关注太阳,月亮和星星的运动,因为天体的运动能告诉我们时间的变化。所以中国的古人有一句对于宇宙的定义:
      往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      也就是说,中国古人认为:宇宙=空间+时间,这其实已经非常深刻了。
      从这时起,对于星空的关注,让人类文明迈上第一个10亿米台阶,人类需要穷尽一切办法去观测天体的运动和总结他们的运动规律,地心说就是这个时期的产物。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      只是它还不够精准,牛顿出现后,牛顿定律就能描述1-10亿米范畴内的物理现象。甚至是目前的航天的工程中,牛顿定律都还是够用的。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      也就是说,1-10亿米的尺度里,就是牛顿力学的天下。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      人类的向上探索
      不过,好景不长,随着人类技术的发展,观测手段也日益精进,人类的视角不再局限在1-10亿米范畴内。人们开始关注“10亿米×10亿米”的世界,这个尺度相当于一个星系的大小(比如:银河系),这个时候,牛顿定律的误差开始变大,我们需要一个新的理论。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      于是,爱因斯坦横空出世,相对论完美的解决了这些问题。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      再然后,如果把研究范围扩大到“10亿米×10亿米×10亿米”还要大的世界时,这个尺度已经到了“宇宙尽头“的距离,这个时候,爱因斯坦的理论也会暴露出自身“实力不足”的情况。
      因为,我们认为宇宙空间是浩瀚无垠、没有“终点”的,然而通过光能看到的距离是有限的。那就是“10亿米×10亿米×10亿米”这个程度的距离。不过,对于爱因斯坦提出的引力波的研究,甚至是暗物质、暗能量的研究。从某种程度上,这些研究或许提供了解释“10亿米×10亿米×10亿米”世界的可能性。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      人类的向下探索
      刚才说到的都是向上探索,接下来,我们来说说向下探索,第一个10亿米台阶就是:纳米。纳米尺度的世界里,牛顿力学也不好用了,这时就得用量子力学来解释。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      而往下探索的第二个十亿米台阶,在“10亿米×10亿米分之一米”的世界里,量子力学的标准粒子模型也开始失效了,在这个尺度下,我们需要一个新的理论,那这个理论到底是什么?我们现在还不得而知。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      科学理论的发展取决于你看世界的方式
      过这个理论,我觉得我们最起码要明白一点,平时很多人都认为爱因斯坦取代了牛顿,其实不是的,他们只是在不同的尺度下的不同理论,牛顿在宏观低速的尺度下,还是十分好用的,只是往小或者往大了去,理论误差变大了,这时候就需要其他理论来填补。
      也就是说,目前人类科学很难出现伟大科学的原因,也在于观测的范围,我们目前的水平只能观测到这么大的范围,而这个范围内已经有了相对应的理论,而这个理论的误差是可以被接受的。所以,或许哪一天,突然我们的观测技术突飞猛进,能看到更小的世界,或者更大的世界,或许到了那时,又会出现一大批伟大的科学家,就像爱因斯坦和量子力学那阵子一样。
    在物理学家眼中,物理学到底是如何发展的?
      第5次索尔维会议合照
      说到底,无论是人类文明的发展还是科学理论的发展,其实都取决于我们爱世界的方式。