不能直接驗證的就不存在嗎?三個物理學歷史中的例子讓你改變觀念

2020-12-05 天文同好樂園

物理學發展至現在,新理論層出不窮,即使是已經得到了物理學界的公認的一些經典理論,依然爭議不斷,比如愛因斯坦的相對論,霍金的黑洞理論等等。至於弦理論、M理論、十維宇宙理論,無論是物理學界和民間,質疑之聲更是從沒有斷過。

為什麼會這樣?主要是因為這些理論中一些物理概念和物理量是不可直接測試或者不可直接證明的。比如說「普朗克能量」(100^19億電子伏特),一些科學家認為如此巨大的能量根本不可能得到,因而相關的理論也就站不住腳。但是從物理學發展的歷史上來說,一些當時不能被直接驗證的也可以被間接驗證,或者以後會被驗證。這裡可以舉三個例子來說明。

第一個例子,在19世紀,一些科學家多次鄭重宣布:恆星的組成無法用實驗測試。如法國哲學家、科學家孔德就認為:恆星距離我們太遙遠,它只是天空中永遠無法到達的光點,19世紀乃至以後的任何世紀的機器都無法為人類提供足夠大的力量飛出地球並抵達恆星,所以恆星是由什麼構成的我們永遠會一無所知。

儘管在當時要想直接確定恆星的組成成分似乎確實超出了科學的能力,但具有諷刺意味的是,幾乎在同一時間,德國物理學家約瑟夫·夫朗卻正在研究這件事。他利用稜鏡和分光鏡分離從遙遠恆星發出的光,由於恆星內的每一種化學元素都具有一種特徵性的「指紋」,也就是光譜,因而他很容易就確定了「氫」是恆星中最豐富的元素,並用同樣的方法測定了恆星中的其他元素。

第二個例子,同樣在19世紀,有科學家提出「原子」的概念,並認為原子是理解化學和熱力學的關鍵點。然而許多物理學家拒絕相信原子的存在,他們認為原子的概念只是一些人手中的數學手段或者計算工具,根本不可能測量到原子,所以原子是不可能存在的。

但1905年,愛因斯坦給出了最具說服力的「原子具有存在性」的間接證據。他發現「布朗運動」(灰塵顆粒懸浮在液體中的隨機運動)可以被解釋為「液體中的微粒和原子間的隨機碰撞」產生的結果。事實上,直至現在,由於海森堡的「測不準原理」,科學家仍然無法直接拍攝到原子的照片,但是很顯然,物理學家早就掌握了間接測量原子的方法,再沒有人懷疑原子的存在。

第三個例子,1930年,物理學家沃爾夫岡·泡利提出存在一種看不見的粒子,他將其稱為「中微子」。在當時的放射性實驗中,總會有一部分能量神秘的消失,物質和能量守恆定律似乎被破壞了。泡利意識到,中微子就是那部分消失的能量。但他同時也知道,中微子幾乎不可能在實驗中被觀察到,因為中微子與物質的相互作用非常弱且稀少。所以在當年,也有很多科學界認為中微子是「荒謬」的,根本不可能存在。

但今天,科學家時常在粒子加速器中發現中微子束,也能夠利用從核反應堆中產生的中微子做實驗,並且在距離地面幾百米深的礦井中檢測到了中微子的存在(1987年,超新星1987A爆發時,深埋在礦井中的中微子探測器接收到了它發射的中微子)。事實上,從太陽發射出的中微子無時無刻都在穿透我們的身體、穿透地球。原來被認為「不可測試的」、「不存在的」中微子,如今已成為現代物理學的一個重要組成部分。

超新星1987A

綜上所述,當代物理理論中推測或者預言的一些物理現象可能目前還無法驗證,但不能因此就全盤否定。比如說「普朗克能量」,要想驗證它幾乎不可能,因為它超出了現代科學所能提供的一切能量。但是,一些科學家認為它可以被間接測量到,他們正在尋找從「普朗克能量」發出的信號,一旦發現這種信號,關於弦理論或者十維宇宙理論中的一些難點將迎刃而解。

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