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物理学关心普适性

2012-12-01 16:06:12 来源:

为什么牛顿的万有引力定律很伟大?因为月亮是天上的,苹果是人间的,看起来没啥联系,但背后却潜藏着同一个运动规律——一切事物之间都存在万有引力。

相比之下,亚里士多德的理论就很狭隘:“重的物体下落更快。”不能否认自然界中存在这样的现象,但这个“规律”的适用范围太小,太特殊,逻辑太直接,条件太繁杂,观点太唯象——所以作为物理学,这个理论的意义不大。

牛顿理论的基础(伽利略变换)也隐含一个类似的瑕疵——他的方程只有在相对静止的观察者看来才是成立的。或者说,牛顿定律满足伽利略变换,而电磁的麦克斯韦定律满足洛伦兹变换。这就奇怪了,自然界为什么要存在两种互不相容的定律呢?一定有问题!

于是, 爱因斯坦提出了狭义相对论,将动力学和电磁学的定律统一在了同一个框架下,这样就是为什么他的论文叫“论动体的电动力学”。狭义相对论说,静止的或匀速的观察者会看到相同的物理定律。此时,伽利略变换并没有被打倒,而是成为洛伦兹变换在低速时的特例。公正地说,狭义相对论扩充了牛顿定律。

感觉差不多了,为啥还要整一个广义相对论呢?因为在宇宙中,静止的、匀速的观察者比大熊猫还珍稀,狭义相对论的适用范围还不够大。要想彻底描述宏观世界的运动规律,就必须考虑加速运动观察者的感受——这就是广义相对论。广义相对论的核心是爱因斯坦方程组,这个方程组“抽象的数学形式”在任何观察者看来都是一样的。

可以庆祝胜利了吗?别高兴太早。广义相对论虽然获得了巨大成功,但它却只适用于宏观世界,却不适用于微观世界——它总是和描述微观世界的量子力学闹别扭。宏观都是由微观组成的。所以,广义相对论还不是真正的引力理论,只能说它是未来的量子引力理论的一种特殊情况,就好像狭义相对论是广义相对论的特殊情况,而牛顿运动定律是狭义相对论的特殊情况,同时牛顿引力定律是广义相对论的特殊情况一样。

因此,物理学特别重视普适性。物理学希望自己无所不包。并且,物理学和其它自然科学都有对应的接口——不同学科的定律都可以看作物理学定律在复杂条件下的特殊形式(例如元素周期律)。任何描述大自然的理论都必须和物理学相容。
 

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