反直覺的科學理論
我們現在都知道,物理學當中還分為經典物理學和現代物理學。經典物理學指的是牛頓力學和麥克斯韋方程。而現代物理學主要是以相對論和量子力學為地基構建起來的物理學大廈。那它們有啥區別呢?
如果從主觀感受來看,牛頓力學是十分符合一般人的直覺地,而相對論和量子力學就十分反直覺了。這其實就是尺度造成,牛頓力學描述的宏觀低速狀態下的世界,說白了就是我們日常生活的尺度,屬於目力所及的範疇。
相對論描述的是引力很強和速度很快(接近於光速)的大尺度物理學現象;
量子力學則描述的是微觀世界(納米級及更小)的小尺度物理學現象。
而無論是大尺度,還是小尺度,它們和我們所生活的宏觀世界是十分不一樣的,而且都是十分反常的。所以,對於沒有接受過專業物理學訓練的人來說,這兩個理論都屬於可以用科學解釋,但事實卻很難理解的事情。
這兩個理論到底是如何難以理解的呢?
相對論
我們先從相對論說起。1905年被稱為愛因斯坦的奇蹟年,在這一年,愛因斯坦提出了四篇開創性的論文,分別是光電效應、布朗運動、狹義相對論、質能等價。
其中狹義相對論探討了「物體的運動」。舉個簡單的例子,如果有一輛車速度是10m/s,這時候車上有個人,朝著車子運動方程運動,速度是5m/s,那對於地面上的人來說,按照牛頓理論,這個速度就是車速加上人運動的速度,也就是10+5=15m/s。
這其實是非常符合我們日常生活中的直覺的,但實際上,這是不夠精確的,我們覺得這個很對是因為速度很慢,如果速度一快起來,尤其是接近於光速狀態,那就不對了。愛因斯坦就提出了一個全新的速度公式來描述這個運動。
其中,這個公式c代表的是光速,帶入計算,我們就得到地面觀測者看到的人約等於15,在小數點後15位會有個微小的誤差。如果我們把兩者的速度都提高到光速的一半,我們再來看看,按照牛頓的結果,我們看到人的速度就應該是1/2光速+1/2光速=光速。但按照相對論來算,我們得到0.8倍的光速。發現沒有?一旦速度特別大時,牛頓力學和相對論的結果就差異很大,而牛頓力學是符合我們常識的,但這個問題實際的結果卻是相對論的結果,這其實和我們主觀的認知就是背離的。
因此,在尺度上,很多基本事實都是和我們認為的結果是不同的,這才造就了我們很難理解相對論所描述的物理學現象。
量子力學
量子力學和相對論一樣,都是讓我們很難理解的理論。不同的是,量子力學描述的是微觀世界的物理學現象。微觀世界的物理學現象是相當奇葩的。最早,物理學家用看待宏觀世界的角度來看待微觀世界,用軌道等概念來描述電子的運動軌跡。
但實際上,電子並非是有固定軌道的,或者我們可以說,所謂的軌道的思想是人們自己想像出來的,實際上並不存在。
那電子是如何運動的呢?
實際上,電子是呈現概率雲的形式。
意思是說,我們沒有辦法通知確定電子的位置信息和運動信息,我們只知道某個時刻,電子出現在什麼位置的概率是多少。這就是著名的不確定性原理,也是量子力學的基石理論。
要知道,我們宏觀低速的世界基本上都是確定性的,而不存在所謂的不確定性的現象,更不要說類似於電子那種奇怪的運動方式了。
因此,這種奇葩的行為,也讓很多人不解。量子力學方面的宗師級科學家波爾,就曾就說過:
如果有人不對量子力學感到困惑,那只能說明他不懂量子力學。
而同樣是在量子力學領域取得巨大成就的費曼,也曾說過:
世界上沒有人懂得量子力學?
你看,連物理學家們都對微觀世界感到困惑,這足以說明微觀世界對於我們世界觀的顛覆。
因此,我們才說,現代物理學的兩個支柱理論其實都是十分顛覆人三觀的,如果我們用宏觀低速世界的視角去理解,是根本無法了解這些現象的。