主页 > T嗨生活 >学习现场‧物理世界新旧理论交锋(上篇)天才牛顿 爱因斯坦相对 >

学习现场‧物理世界新旧理论交锋(上篇)天才牛顿 爱因斯坦相对

在狭义相对论被提出十年后,爱因斯坦发表了他一生最伟大的的科学成就——广义相对论。如果说狭义相对论的成就仍不足以弥补爱因斯坦与牛顿之间的差距,那广义相对论的建立,则让爱因斯坦可毫无压力与牛顿并列科学史上的第一档……


当全世界精英为诺贝尔奖得主的研究和贡献进行点评时,身为平凡人的我们,对此难免会觉得格格不入,尤以物理学的最新成果为之最。谈起物理,我们难免会认为,科学家在实验室里摆弄那些精密的仪器,就是物理。虽然我们常说,我们现在处于先进的21世纪了,科学在你我左右,可又有多少人明白物理是什幺?物理的进程是怎样呢?现今物理的理论是什幺呢?

首先,什幺是物理?根据维基百科所述,物理学是研究物质,能量的本质与性质,以及它们彼此之间交互作用的自然科学。说到底,物理就是解释世间一切的一门学科,小到一颗原子如何转动,大到整个宇宙的变化,从一颗苹果为什幺会向下掉,至太阳未来的命运会是如何。这一切一切,都可以通过物理学来理解。

谈起物理学,就无法避免会提起物理界有个不世出的天才。他可谓一手创建了世界规则,世界上所有的变化,都在他的规则里乖乖运行。而他,就是那以苹果敲头而闻名于世的艾萨克牛顿爵士(1643~1727)。

决定论眼中的宇宙

牛顿,一名绝对的超级天才。他的天才有多妖孽呢?他人生三分之一的时间用来研究圣经神学,三分之一的时间用来研究炼金,另外的三分之一时间才被用来研究科学、数学等。而他却以那三分之一的人生,发现了万有引力定律、物体运动的三大基本定律(牛顿三定律),为现代物理、天文学和力学埋下结实的基础。同时,在数学方面的成就,他与莱布尼兹分享了创建微积分的伟大贡献。在光学方面,他发现了光的色散原理,成功发明反射式望远镜。这一系列贡献,让牛顿被誉为现代物理之父。

牛顿三定律分别阐述了:第一定律,任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态,直到受到其它物体的作用力,迫使它改变这种状态为止。第二定律,物体在受到合外力的作用会产生加速度,加速度方向和合外力方向相同,加速度的大小正比于合外力的大小与物体的惯性质量成反比。第三定律,两个物体之间的作用力和反作用力,在同一条直线上,大小相等,方向相反。牛顿凭着这三个物体运动基本定律,可说是一手创建了力学这门新学科。虽然牛顿三定律已被提出数百年,可是该定律仍像精密的机器,一分不差把火箭运向太空。

牛顿的经典力学、麦克斯韦的经典电动力学,以及后来被发展起来的热力学,成功把经典物理学这座大厦建造起来了。

从此,人类拥有了对世界所有现象给予解释的能力。世间万物,下至地球,上至宇宙,所有一切都遵从经典物理的规则运行。

因此,依据经典物理学,理论上来说,如果我们拥有足够的运算能力,并了解宇宙中每个原子的位置和运动方向与速度,我们可向上倒推宇宙创生的那一刻,向下计算宇宙的未来。这也是决定论眼中的宇宙,上帝只是在开始时上了一下弦,拨动了一下摆锤,整个宇宙便开始完美地运行,宇宙的结局从一开始就确定了下来。

物理学上的两个奇迹年

那幺,经典物理学是宇宙最终解释吗?很可惜,同时也很幸运,在一代伟人牛顿过世的两百多年后,一位足以比肩牛顿的跨世奇才,带来他的跨时代的智慧,把经典物理学这座大厦拆下,又建立了另一座拔地而起的大厦,他就是阿尔伯特爱因斯坦(1879~1955),一位足以并肩牛顿,鼎立于科学家排行榜第一档的绝世天才。

物理学拥有两个奇迹年。第一个是1666年,当牛顿为了躲避鼠疫从剑桥回到了乡间,从而发现万有引力定律,发明微积分以及完成光色的分析,一举为近代科学的几个分支奠下了基石。

如果有哪个科学家或数学家能获得以上随便一项成就,他就可名留青史了。可是牛顿却在短短一年内,在不同领域,做出这幺多项突破,被称为奇迹之年绝不为过。第二个奇迹年是1905年,在伯尔尼瑞士专利局工作的爱因斯坦,发表了划时代的六篇论文,为物理学三大领域奠基,分别是物质结构原子论、量子论和狭义相对论,还顺带为统计学做出了卓越的贡献,从而一举登上了神坛。

凭着这六篇论文,爱因斯坦够得上四个诺贝尔奖,而狭义相对论的分量,更不是诺贝尔奖可支撑得起的。然而,虽然爱因斯坦一直被提名于诺贝尔奖,却由于各种缘故,如学术政治,导致他屡屡与诺贝尔奖失之交臂,直至1921年才凭着争议最小的光电效应成就,获得诺贝尔物理奖。

事实证明,在像爱因斯坦这样划时代的科学巨匠面前,就算是诺贝尔奖那样全球公认的世界奖项,也不能撑起其分量。

两座现代物理学摩天大楼

虽然爱因斯坦凭着光电效应获得诺贝尔奖,可真正让爱因斯坦成为一代巨匠的,却是相对论。相对论可分为狭义相对论及广义相对论,狭义相对论提出了两个公理,第一是所有惯性系都拥有完全相同的物理学规律。惯性系是一直静止,或一直做匀速直线运动的物体所对应的参考系。第二个公理是光速不变原理,即不管对于哪个参考系,光速都不会改变。

如果有两位双胞胎,两人都同时拿着一个时钟,弟弟呆在地球,哥哥则坐火箭飞上太空,那幺等到哥哥回到地球,那两人的时间会一样吗?在我们的认知中,两人的时间应该会一样,毕竟我们会认为时间是固定不变的。

然而狭义相对论却提出,当一个物质以高速运行时,他的时间会慢下来。速度越快,时间越慢。这就是狭义相对论其中一个最重要的观点。所以根据之前的例子,哥哥的时钟会比弟弟的时钟来得慢。这就是着名的“双生子悖论”。

虽然狭义相对论的理论是划时代,可仍有缺陷,即狭义相对论并没有涵盖引力作用,以及需要在惯性系内才能发挥作用。因此,在狭义相对论被提出十年后,爱因斯坦发表了他一生最伟大的的科学成就——广义相对论。

如果说,狭义相对论的成就仍不足以弥补爱因斯坦与牛顿之间的差距,那广义相对论的建立,则让爱因斯坦可毫无压力与牛顿并列科学史上的第一档。

广义相对论涵盖了狭义相对论以及引力的作用,最重要的一个论述是,引力越强,时间越慢。不知道各位是否看过几年前播出的《星际穿越》?该电影讲述一群人类,到外太空穿越虫洞以寻找家园的科幻故事。该群人类到达的第一个星球,拥有远大于地球的引力作用,所以呆在该星球的一个小时,就等于地球的七年,这就是广义相对论的作用。

在经典物理学这座大厦倒塌以后,爱因斯坦迅速地建起了另一座名为相对论的摩天大楼。相对论这座大厦与另一座名为量子理论的大厦,遥遥相对,撑起了现代物理的世界。

特约:黄伟彬