前有經典力學,後有相對論,下一個偉大的物理學家將帶來什麼?

2020-12-05 科學信仰

牛頓和愛因斯坦是歷史上最為著名、貢獻最為卓著的物理學家。

牛頓的萬有引力定律以及在牛頓基礎上建立的經典力學為整個物理學的發展奠定了堅實的基礎。後來,隨著科學觀測手段的不斷發展,人們逐漸發現萬有引力公式並不能解決一切關於引力的問題。

運用萬有引力公式來計算蘋果下落所得到的數據與實際測定數據完全相同,其幾乎可以解決我們生活中一起關於引力的問題,但當我們將其應用於宇宙天體之間的引力作用時,問題就出現了。通過萬有引力公式所計算的水星近日點的實際進動值與實際測定數據相差甚巨。

這個時候,人們開始意識到引力可能並不是像牛頓所說的那樣。

後來,另一位偉大的科學家出現了,他引領我們從牛頓的時代進入了愛因斯坦的世界,他就是愛因斯坦。愛因斯坦通過廣義相對論將引力的本質從一種力描述為了一種幾何效應,此時,我們知道了引力的本質就是時空的彎曲。

根據愛因斯坦的公式所計算的水星近日點的實際進動值與實際測定數據完全一樣,迄今為止,廣義相對論所描述的一切關於引力的問題都十分精確,根據廣義相對論所預言的所有結論都被一一證實,引力透鏡、引力波都在其中。

當然,牛頓並沒有錯,牛頓的理論可以說是引力在弱引力場環境下的近似理論,其雖然未能看透引力的本質,但在弱引力場環境下已經足夠精確了。

現代物理學已經形成了一個完整而龐大的體系,在這樣的理論體系之下,想要再創造一種理論能夠觸動甚至顛覆現有的理論體系是一件非常困難的事情,但並非沒有可能。因為還有很多問題目前無法解決,比如正反物質總量為什麼不對稱?暗物質和暗能量到底在哪裡?而相對於這些未解之謎,最大的謎團還在於四種基本力無法融合在一起。這四種基本力就是引力、電磁力、強核力和弱核力。

在量子力學的框架體系之下,電磁力、強核力和弱核力已經實現了統一,唯有引力與其格格不入。

為什麼一定要將四種基本力相統一呢?我們處於一個宇宙之中,而一個宇宙只能有一套真正的理論,宇宙間所有的事物,無論大小,都應該遵循同一套規則。

而現在的情況是,廣義相對論完美闡釋了宏觀環境下的引力問題,而量子力學則解決微觀問題,兩者格格不入。這說明了什麼?說明了量子力學和廣義相對論可能都不是物理學的本質理論,它們和牛頓的萬有引力一樣,是一種在特定環境下的近似理論。

所以,未來如果再次出現能夠比肩牛頓和愛因斯坦的偉大物理學家,那麼他的成就一定與大一統理論密不可分,大一統理論就是能夠將四種基本力相統一的終極理論,也可稱之為統一場理論。

其實,對於統一場理論,現代物理學也並非毫無進展,一時間大火的「弦理論」就能夠解決這一問題,將引力與其餘三種基本力統一在一起。「弦理論」認為物質的最基本單位並不是現在所知的基本粒子,每一個基本粒子是由很多條「弦」所組成的,這些「弦」才是宇宙的基本單位。在「弦理論」的體系之下,四種基本力的確可以實現完美的統一,而唯一的問題在於「弦」只是猜測,我們無法證明它真的存在。

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  • 在我國有和愛因斯坦比肩的物理學家嗎?
    愛因斯坦經典的爆炸頭給人留下很深的印象,而愛因斯坦的相對論同樣意義深遠,這是人類文明的寶貴財富。在我國並沒有比肩愛因斯坦的物理學家,在世界範圍內也只有牛頓和其不相上下,伽利略、麥克斯韋等都要排在他們的後邊。
  • 楊振寧是世界頂級的物理學家嗎?他都有什麼科學成就?
    後者提出了相對論等偉大的理論,是20世紀最傑出的理論物理學家。再比如:20世紀在量子力學領域也誕生了許多偉大的科學家,比如:普朗克,波爾,海森堡,狄拉克等人。至今波爾與愛因斯坦的論戰還是科學史上的一段佳話。
  • 楊振寧是世界頂級的物理學家嗎?他都有什麼科學成就?
    牛頓和愛因斯坦應該會是最高頻出現的,他們都同屬於理論物理學,前者提出了萬有引力定律和力學三大定律,奠定了經典物理學的框架。後者提出了相對論等偉大的理論,是20世紀最傑出的理論物理學家。
  • 為什麼最偉大的幾位科學家往往是物理學家?
    如果要評選有史以來最偉大的科學家,牛頓和愛因斯坦可以坐穩前兩位,而且他們二位之後還有麥克斯韋、伽利略等物理學家可以穩居在前十名之內,並且也有能力進入前五名的行列。其他領域中能夠和伽利略並列的,化學領域只有門捷列夫,生命科學領域有達爾文,巴斯德也可以算進去。
  • 相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分?
    1955年4月18日,20世紀最偉大的科學家阿爾伯特·愛因斯坦因患動脈瘤在美國普林斯頓逝世。說起愛因斯坦,都知道他提出了著名的相對論。但是你可知道,相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分呢?了解「相對論」對於研究現代物理學的人來說,是十分必要的。據說,相對論的創始人阿耳伯特?愛因斯坦從小就思考這樣兩個問題:(1)如果有人跟著光線跑,並努力趕上它,那麼,這個人將看到些什麼現象呢?(2)如果把一個人關在一架自由下落的升降機內,他將看到什麼呢?
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