反直觉的科学理论
我们现在都知道,物理学当中还分为经典物理学和现代物理学。经典物理学指的是牛顿力学和麦克斯韦方程。而现代物理学主要是以相对论和量子力学为地基构建起来的物理学大厦。那它们有啥区别呢?
如果从主观感受来看,牛顿力学是十分符合一般人的直觉地,而相对论和量子力学就十分反直觉了。这其实就是尺度造成,牛顿力学描述的宏观低速状态下的世界,说白了就是我们日常生活的尺度,属于目力所及的范畴。
相对论描述的是引力很强和速度很快(接近于光速)的大尺度物理学现象;
量子力学则描述的是微观世界(纳米级及更小)的小尺度物理学现象。
而无论是大尺度,还是小尺度,它们和我们所生活的宏观世界是十分不一样的,而且都是十分反常的。所以,对于没有接受过专业物理学训练的人来说,这两个理论都属于可以用科学解释,但事实却很难理解的事情。
这两个理论到底是如何难以理解的呢?
相对论
我们先从相对论说起。1905年被称为爱因斯坦的奇迹年,在这一年,爱因斯坦提出了四篇开创性的论文,分别是光电效应、布朗运动、狭义相对论、质能等价。
其中狭义相对论探讨了“物体的运动”。举个简单的例子,如果有一辆车速度是10m/s,这时候车上有个人,朝着车子运动方程运动,速度是5m/s,那对于地面上的人来说,按照牛顿理论,这个速度就是车速加上人运动的速度,也就是10+5=15m/s。
这其实是非常符合我们日常生活中的直觉的,但实际上,这是不够精确的,我们觉得这个很对是因为速度很慢,如果速度一快起来,尤其是接近于光速状态,那就不对了。爱因斯坦就提出了一个全新的速度公式来描述这个运动。
其中,这个公式c代表的是光速,带入计算,我们就得到地面观测者看到的人约等于15,在小数点后15位会有个微小的误差。如果我们把两者的速度都提高到光速的一半,我们再来看看,按照牛顿的结果,我们看到人的速度就应该是1/2光速+1/2光速=光速。但按照相对论来算,我们得到0.8倍的光速。发现没有?一旦速度特别大时,牛顿力学和相对论的结果就差异很大,而牛顿力学是符合我们常识的,但这个问题实际的结果却是相对论的结果,这其实和我们主观的认知就是背离的。
因此,在尺度上,很多基本事实都是和我们认为的结果是不同的,这才造就了我们很难理解相对论所描述的物理学现象。
量子力学
量子力学和相对论一样,都是让我们很难理解的理论。不同的是,量子力学描述的是微观世界的物理学现象。微观世界的物理学现象是相当奇葩的。最早,物理学家用看待宏观世界的角度来看待微观世界,用轨道等概念来描述电子的运动轨迹。
但实际上,电子并非是有固定轨道的,或者我们可以说,所谓的轨道的思想是人们自己想象出来的,实际上并不存在。
那电子是如何运动的呢?
实际上,电子是呈现概率云的形式。
意思是说,我们没有办法通知确定电子的位置信息和运动信息,我们只知道某个时刻,电子出现在什么位置的概率是多少。这就是著名的不确定性原理,也是量子力学的基石理论。
要知道,我们宏观低速的世界基本上都是确定性的,而不存在所谓的不确定性的现象,更不要说类似于电子那种奇怪的运动方式了。
因此,这种奇葩的行为,也让很多人不解。量子力学方面的宗师级科学家波尔,就曾就说过:
如果有人不对量子力学感到困惑,那只能说明他不懂量子力学。
而同样是在量子力学领域取得巨大成就的费曼,也曾说过:
世界上没有人懂得量子力学?
你看,连物理学家们都对微观世界感到困惑,这足以说明微观世界对于我们世界观的颠覆。
因此,我们才说,现代物理学的两个支柱理论其实都是十分颠覆人三观的,如果我们用宏观低速世界的视角去理解,是根本无法了解这些现象的。