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苹果与宇宙膨胀

(2011-10-07 10:44:01) 下一个
有人说,现在的宇宙学理论越来越玄乎。所谓玄乎,实际上是由于随着科学的发展、人类对自然的深刻认识,越来越远离人的直觉,越来越难以被普通人理解了。

人的直觉是什么?实际上就是动物的一些基本的感官,包括触觉、视觉等。这些感官都是基于电磁作用,而且大部分是经典的电磁作用。但是物理科学的理论与实践早已超越了经典电磁作用。100年前,爱因斯坦就几乎是通过纯粹思维发现了相对论,完全改变了时间与空间的概念。而随后的量子理论则是在大量的实验现象,例如氢原子的光谱等,无法用经典理论解释的情况下,应运而生。

对于物理科学而言,没有什么科学理论是真正神圣的。No theory is sacred。只要一个新理论能更好地解释自然现象,旧的理论就可以扬弃。就像量子理论,似乎很违反人的动物直觉,但却屡试不爽吗,总是正确。

但是人大多是守旧的。就像那些从小被宗教熏陶的人一样,很多人把小学、初中背的书当成了教条,一旦遇到新的东西,就会产生反感,而不是去试图理解。

量子物理与相对论,这些似乎高深的理论并非玄学,而是代表了我们对自然界的理解的层次。不仅如此,它们的运用改变了人们的生活方式。我举个例子,苹果的iPhone看似一个组装的电子产品,但是其基础就是量子理论与相对论。其半导体芯片是量子理论的运用,而其GPS技术必须依赖广义相对论。

人的特殊性在于他能够运用自己的知识创造自然界不存在的物体。比如说,古人能够运用对矿石、金属、以及火的知识,制造青铜器。而现代工程技术人员,则能运用量子固体理论,设计制造半导体芯片。如果你去读读那些固体物理方面的论文,其玄乎程度也许不亚于一篇宇宙学论文,上面一堆复杂的符号,一堆玄乎的概念。我随便找了一篇固体物理方面的论文,http://arxiv.org/PS_cache/cond-mat/pdf/0301/0301031v2.pdf,似乎就是如此。没有量子理论,整个半导体工业不可能产生、发展,也就无法制造GPS装置上的计算芯片。类似的,如果没有狭义与广义相对论理论,GPS无法工作。GPS通过精确的信号时间来计算位置,而时间是相对的,时间会因为物体的运动与引力场的强弱而不同。根据广义相对论,引力越强,时空弯曲越大,时间流逝越慢。虽然GPS卫星的速度远小于光速,地球的引力场也不强,但是这些细微的时间变化如果不加以考虑,一天之后就会有10公里的定位误差。谁会愿意使用误差10公里的GPS?

因此GPS的应用必须根据狭义相对论与广义相对论进行修正。可以想象,这是由某些懂物理的人算出一个公式,然后由其他工程人员编入相关的计算机进行时间修正。编程的人无需懂物理,而用GPS导航开车的百姓们则更不必懂物理了,对他们而言,只要工作就行,至于背后的知识与技术是无关的。这正是现代社会高度分工的特点。我们不需要一个出租车司机懂广义相对论才能使用GPS,也不需要他懂牛顿力学、热力学、麦克斯韦尔方程才能开车,他只要正确的发出神经信息,控制其肌肉,安全地操纵相关设备就可以了。

牛顿发现了牛顿第二定律 f=ma,后来,据说被一个坠落的苹果启发,发现了万有引力。牛顿的天才在于,他认为宇宙天体、金星、火星、月亮没有什么特殊,它们不是神仙控制,而是与一个地面上的烂苹果一样,遵循同样的规律,那就是f=ma与引力。根据苹果的运动规律而得出的物理理论作为自然界的法则,牛顿计算了行星的轨道,地球的潮汐,炮弹的轨迹,等等。其结果是一场科技革命,更是一场思想革命。

而相对论与量子理论是对牛顿力学的修正与发展。GPS应用证明广义相对论的计算结果与实测结果达到了极为精密的吻合,理论计算与实验测量的差别只有几百亿分之一

现代的宇宙学,大爆炸理论也好,暗能量也好,都是运用广义相对论与量子理论来解释观测到的天文现象。它们的正确与否在于它们能否解释、预测观测结果。

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