为何近百年的时间里,物理学几乎停滞不前?物理已走到尽头了吗?牛顿爱因斯坦伽利略相对论

十九世纪末到二十世纪初,是人类物理学上最“疯狂”的年代,两项颠覆传统物理的理论横空出世,将我们的世界从宏观带到了微观。

一众我们熟知的物理学家带着他们的学说相继来到世人的面前,毫不夸张地说,如果没有那个时代的疯狂,我们不可能有后面的冲向太空,更不会有如今便利的生活。

2005年为纪念伟大的物理学家爱因斯坦发表相对论100周年,此年被定为“世界物理年”。当人们回顾物理史时,会惊奇地发现:

爱因斯坦

经典物理学

经典物理学是由牛顿、伽利略等人经过17世纪奠定的一门科学,经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学是它的三大支柱。

从那以后,人类历史进入了工业文明。提到经典物理学,就不得不提一位科学巨人,那就是牛顿。

牛顿是人类历史上最伟大的物理学家之一,也是经典物理的奠基人之一。牛顿的第一、第二和第三定律成为了经典力学的代表。

牛顿

除了在力学上的建树,牛顿还是历史上第一位使用三棱镜分离光束的人,得到了光的色散现象,知道了我们常见的太阳光实际上是由七种颜色的光混合而成,为后面的光学打下了基础。

此外牛顿还认为,光是由很小的微粒组成,是光粒子学说的早期持有者,也为后来光的波粒二象性提供了支持。

在数学上,关于他和莱布尼茨到底谁发明了微积分,曾一度是欧洲学术界的最大论题。英国学者认为牛顿更早发明微积分,莱布尼茨只是一个剽窃的小丑。

三棱镜分离光束

这场争论也导致英国数学与欧洲大陆数学之间发生巨大的分歧,从而导致了后来英国数学百年的落后。现在人们普遍承认牛顿和莱布尼茨分别独立发明了微积分,最后流传更广的是莱布尼茨微积分。

牛顿还是一位杰出的哲学家,尽管他用自己的后半生去研究了神学,没有成为一位唯物主义者,这也一度成为后世某些人嘲笑他的理由。

不过考虑到时代的局限性,牛顿依旧是一位值得尊敬的伟大物理学家。而经典物理的另一位代表人物伽利略,这是一个为了科学真理坚持自我的人。

伽利略

许多人提起伽利略会想到他的望远镜,进而认为伽利略只是一位天文学家。其实伽利略的成就远不止天文望远镜那么简单。

在伽利略之前,人们把亚里士多德理论奉为圭臬,其中“重物比轻物的下落速度更快”成为无可撼动的“真理”。伽利略站上了比萨斜塔,将一枚铁球和一片羽毛同时落下。

这就是著名的自由落体试验,揭示了重力加速度不会因为物体的形状和重量而改变。几个世纪后的1971年,阿波罗号上的宇航员在月球进行了这个实验,结果一致。

当然最让伽利略在后人眼中名垂青史的还是他的天文学造诣,他的天文学成就建立在他丰富的力学知识之上。

斜塔实验

伽利略发现月球表面有崎岖不平的现象并亲手绘制了第一幅月面图,他观察金星发现金星有盈亏现象,此外他还发现了四个木星的卫星。

后来为了纪念他,人们将这些卫星称为“伽利略卫星”。这正是这些观察,让伽利略更加肯定了哥白尼的日心理论,并公开表示支持哥白尼。

这一举动遭到了当时教会的反对,他们不顾伽利略年老体衰双目失明,将其软禁,而伽利略在软禁中走完了生命的最后一段路程。

经典物理除了伽利略和牛顿,还有开普勒、卡文迪许、焦耳、安培、法拉第等,他们一步步地为物理大厦添砖加瓦,让人类的科学屹立不倒。

日心说与地心说原理

两朵乌云

1900年,著名物理学家开尔文发表新世纪演讲,高兴地宣布物理大厦已经基本建成,以后的物理学家们只需要不停地修饰大楼即可。

然而当时谁也没有想到,两朵漂浮在上空的小乌云会颠覆经典物理。第一朵乌云是“以太”学说。以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质。

经典力学中有一个理论为相对性原理,意思就是这个世界上没有绝对的静止,所有物理学上的运动都是有相应参照物的。

然而如何确定“绝对运动”,包括牛顿在内的物理学家们都没能找到合适的办法,最后只能臆想出一个“绝对空间”。麦克斯韦在发现电磁理论后,以太便成为了物化的的绝对空间。

绝对空间中模拟图

但是,美国物理学家迈克尔逊和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验,都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动。

第二朵乌云是“紫外灾难”,又称“麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说”。是指在研究黑体辐射的过程中,物理学家们推导出一个公式。

它表明随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,然而实验的结果却和这个公式完全不相符。最终,乌云的积累造成了雷暴,经典物理的大楼被轰然两声巨响震动。

黑体辐射实验数据图

现代物理学

第一声惊雷叫做相对论,提出者是当时的德国天才物理学家阿尔伯特·爱因斯坦。1905年,年仅26岁的爱因斯旦独自完成了狭义相对论的论文《论动体的电动力学》。

时空主题模拟图

这意味着不管身处何处,物理规律都永远不变。所以这就引出了光速不变原理,真空中的光速不管在任何参考系中都恒定不变。

时空对我们研究宇宙很有用

如果说狭义相对论是在惯性体系内,那么广义相对论则是物体间引力的相互作用,引力场是弯曲的的时空。广义相对论在天文学上意义非凡,第一次引入了黑洞这个概念。

某些大质量恒星会终结为一个黑洞,时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。

广义相对论还预言了引力波,后经证实存在。而广义相对论最大的贡献是爱因斯坦场方程。

引力波模拟图

第二声惊雷名叫量子力学,奠基者是德国物理学家马克斯·普朗克。早年的普朗克一直在研究热力学第二定律,在19世纪末期注意到了黑体辐射问题,并在其中发现了普朗克辐射定律。

他在此过程中提出了一个常数被后世称为普朗克常数,而这这套定律成为此后微观物理学中最基本的概念。从这一刻起,物体的运动不再是宏观的,而是细化到粒子大小的微观世界。

这个世界和传统意义上的世界完全不一样。有趣的是,普朗克当初选择攻读物理的时候,老师劝他不要选择物理。

普朗克

因为当时正值经典物理发展的顶峰,大多数物理学家都抱着不再有新发现的想法,认为研究物理已经没有了大好的前途。

然而普朗克说他只是对物理感兴趣想要学习。现在想想如果不是普朗克的坚持与热爱,不知道现代物理会晚多少年才到来。

爱因斯旦和普朗克,并成为现代物理的奠基人,开辟了全新的物理,是20世界最伟大的物理学家。与他们同时期的其他物理学家,如玻尔、居里夫妇等人,一同书写了那个“疯狂”的时代。

后爱因斯坦时代

疯狂过后,一切归于平静,物理的发展似乎放慢了脚步,1955年,伟大的物理学家爱因斯坦逝世,人类步入了后爱因斯坦时代。

不到短短50年,人类似乎再也无法突破爱因斯坦与普朗克两座大山,难道人类的物理停滞不前了吗?与其说是停下脚步不前进,不如说是大家太心急了。

距离爱因斯坦的相对论发表才过去100多年,无法超越他是再正常不过的事情,而且人类也不是完全停止进步,爱因斯坦之后,依然有杰出的物理学家涌现,如史蒂芬·霍金。

霍金与牛顿一样是英国的物理学家,年轻时遭遇罕见疾病,被迫坐上了轮椅,并且四肢因为疾病开始萎缩,他最后一生都被困在轮椅上。

物理学当然没有走到尽头,人类也并没有停下前进的脚步,现代物理取代了经典物理的大楼,终有一天,另一座大楼也会取代现在的大厦。

霍金

结语

牛顿曾谦虚地说,自己是站在巨人肩上摘苹果,也就是说在牛顿之前,还有更原始的物理学雏形,正是一代又一代人在经验中总结,在总结中归纳,最后有了17世纪的基础、20世纪的绽放。

可以说物理的发展不是偶然,而是人类永不止步的必然。随着科技的进步,我们能够做的实验也开始增多。

一些前人无法完成的高难度实验,正在现在的实验室里逐渐变为现实,未来的物理只会更加璀璨。不要着急于翻越大山,因为只有准备充分的登山者才能看在峰顶最美的景色。

THE END
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