如何理解「一牛二愛三麥」?物理學界這三大巨人之間的差距在哪

2020-12-03 想法捕手

「一牛二愛三麥」這句話,了解物理學的人都知道。不可否認,這三人是物理學界至今為止都還無人跨越的高峰。他們都提出了劃時代的重大理論,但如果非要分個先後,這個排名我覺得合情合理。

一個理論價值應該分兩方面來看,一是實際產生的社會效應,二是其獨立創新佔比。為什麼要這麼分?因為科學的發展很大程度上是一種繼承關係。很多新理論的出現,都不是一個人的功勞,離不開前人的積澱。

由於各種情感的原因,很多人都認為愛因斯坦超越了牛頓。雖然我也是愛因斯坦的粉絲,但以科學的角度來解析,愛因斯坦還是比牛頓差一點,而麥克斯韋比他兩人都還是要弱一點。為什麼我這麼說?因給一個理論的正式成型,實驗驗證是前提,然而是否有清晰的「物理圖景」和「數學總結」是關鍵。同樣都是劃時代的重大理論,在這兩部分上的獨創性佔比決定了他們的細微差別。

牛頓的成就。

由一個蘋果落地,聯想到月球的軌道運行,從而洞察到月亮一直在墜向地球。牛頓成為了第一個指出蘋果落地與月球圍繞地球運動兩個現象遵循同樣一個原理的人,而且宇宙萬物都遵循同一個引力理論。這就「萬有引力」名字的由來,也是牛頓描繪引力的物理圖景。

而圖景只是一個定性描述,而要對引力進行定量分析就必須要有數學支撐。於是,1666年牛頓獨自開發了描述引力的數學公式,為萬有引力奠定了基礎。同時這一年牛頓還全身心投入到了微積分的研究工作中,並且發現了光的基本性質。而物理學史上唯一堪比此年的就是1905年的愛因斯坦奇蹟年。

總之,牛頓獨自一人完善了萬有引力的物理圖景和數學公式。

麥克斯韋的成就。

麥克斯韋最大的成就是統一了電磁現象,發表了電磁理論,並揭示了光就是一種電磁波,並打開了理論物理學的大門。之前的物理學都是根據經驗或實驗再數學總結,而理論物理學是先提出預言,再實驗驗證(光速不變就是電磁理論的預言)。

我們知道,電磁波理論是建立在電磁場概念上的,而電磁場的概念並非源於麥克斯韋,而是從法拉第那繼承的。

1851年,法拉利寫了一篇文章《關於磁力的物理線》。最開始法拉利只是認為磁鐵周圍會形成磁力線,而後來他逐漸意識到這是空間的一種固有的特性,而提出了「場」的概念。這是他與電磁打交道幾十年總結出來的思想。

只可惜法拉第數學水平太低,雖然能洞察到電磁場的物理圖景,但卻無法建立它的數學表達,而麥克斯韋繼承了法拉第的財富,並建立了描述電磁現象的方程組。

所以麥克斯韋是在法拉第開闢的道路上,獨立完成了電磁理論的數學表達。

愛因斯坦的成就。

愛因斯坦的相對論至今還是物理學界的基石。它將牛頓的引力理論進一步具像,時空彎曲的物理圖景,打破了絕對時空的世界認知。時間與空間的統一,質量與能量的統一,這些概念到現在都還讓人覺得反直覺,因為它描述了一種我們無法經歷的高速世界。

這種對源於經驗之外的深刻洞察,是愛因斯坦最大的成就。愛因斯坦描述的物理圖景至今還是物理學領域的一大瑰寶。鍾慢尺縮,相對性原理,這些思想至今還影響著理論物理學,尤其是對宇宙學。

相對論場方程也變譽為「最美的物理學方程」。時間、空間、質量、能量這些原本不相關的物理量被愛因斯坦建立了深刻的聯繫。但場方程的核心是黎曼幾何的張量度規,沒有黎曼60年前埋下的這個數學寶藏,可能愛因斯坦一輩子也無法完成廣義相對論。

所以,愛因斯坦的獨立思考能力是最牛逼的,能把思想實驗玩得爐火純青的也就只有他了,但由於早年的逃課,讓他的數學能力還是稍顯不足。

總結

如果把他們三人放在同一時代,在同樣的知識背景下,不難得出這樣的結論:牛頓不僅超能聯想,還能自己總結出數學公式,自給自足毫無短板;愛因斯坦想像力牛到沒邊,但數學能力稍顯不足,有時想到了寫不出來了,是很痛苦的;麥克斯韋數學能力出眾,但想像力就差多了,即便自己的理論已經否定了以太的存在,他卻還是不願意相信。

總之,牛頓更全面,是物理學領域和數學領域都公認的元老;愛因斯坦是百年難得一遇的天才, 是劍走偏鋒、思想嚴密的追光少年;麥克斯韋則是老實巴交的實幹派,少了點靈氣。

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