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YDX:蘋果與宇宙膨脹
送交者: YDX 2011年10月07日10:22:10 於 [教育學術] 發送悄悄話
有人說,現在的宇宙學理論越來越玄乎。所謂玄乎,實際上是由於隨着科學的發展、人類對自然的深刻認識,越來越遠離人的直覺,越來越難以被普通人理解了。

人的直覺是什麼?實際上就是動物的一些基本的感官,包括觸覺、視覺等。這些感官都是基於電磁作用,而且大部分是經典的電磁作用。但是物理科學的理論與實踐早已超越了經典電磁作用。100年前,愛因斯坦就幾乎是通過純粹思維發現了相對論,完全改變了時間與空間的概念。而隨後的量子理論則是在大量的實驗現象,例如氫原子的光譜等,無法用經典理論解釋的情況下,應運而生。

對於物理科學而言,沒有什麼科學理論是真正神聖的。只要一個新理論能更好地解釋自然現象,舊的理論就可以揚棄。就像量子理論,似乎很違反人的動物直覺,但卻屢試不爽嗎,總是正確。

但是人大多是守舊的。就像那些從小被宗教薰陶的人一樣,很多人把小學、初中背的書當成了教條,一旦遇到新的東西,就會產生反感,而不是去試圖理解。

量子物理與相對論,這些似乎高深的理論並非玄學,而是代表了我們對自然界的理解的層次。不僅如此,它們的運用改變了人們的生活方式。我舉個例子,蘋果的iPhone看似一個組裝的電子產品,但是其基礎就是量子理論與相對論。其半導體芯片是量子理論的運用,而其GPS技術必須依賴廣義相對論。

人的特殊性在於他能夠運用自己的知識創造自然界不存在的物體。比如說,古人能夠運用對礦石、金屬、以及火的知識,製造青銅器。而現代工程技術人員,則能運用量子固體理論,設計製造半導體芯片。如果你去讀讀那些固體物理方面的論文,其玄乎程度也許不亞於一篇宇宙學論文,上面一堆複雜的符號,一堆玄乎的概念。我隨便找了一篇固體物理方面的論文,http://arxiv.org/PS_cache/cond-mat/pdf/0301/0301031v2.pdf,似乎就是如此。沒有量子理論,整個半導體工業不可能產生、發展,也就無法製造GPS裝置上的計算芯片。類似的,如果沒有狹義與廣義相對論理論,GPS無法工作。GPS通過精確的信號時間來計算位置,而時間是相對的,時間會因為物體的運動與引力場的強弱而不同。根據廣義相對論,引力越強,時空彎曲越大,時間流逝越慢。雖然GPS衛星的速度遠小於光速,地球的引力場也不強,但是這些細微的時間變化如果不加以考慮,一天之後就會有10公里的定位誤差。誰會願意使用誤差10公里的GPS?

因此GPS的運用必須根據狹義相對論與廣義相對論進行修正。可以想象,這是由某些懂物理的人算出一個公式,然後由其他工程人員編入相關的計算機進行時間修正。編程的人無需懂物理,而用GPS導航開車的百姓們則更不必懂物理了,對他們而言,只要工作就行,至於背後的知識與技術是無關的。這正是現代社會高度分工的特點。我們不需要一個出租車司機懂廣義相對論才能使用GPS,也不需要他懂牛頓力學、熱力學、麥克斯韋爾方程才能開車,他只要正確的發出神經信息,控制其肌肉,安全地操縱相關設備就可以了。

牛頓發現了牛頓第二定律 f=ma,後來,據說被一個墜落的蘋果啟發,發現了萬有引力。牛頓的天才在於,他認為宇宙天體沒有什麼特殊,它們不是神仙控制,而是被與一個地面上的爛蘋果一樣,遵循同樣的規律,那就是f=ma與引力。根據蘋果的運動規律而得出的物理理論作為自然界的法則,牛頓計算了行星的軌道,地球的潮汐,炮彈的軌跡,等等。其結果是一場科學革命。

而相對論與量子理論是對牛頓力學的修正與發展。GPS應用證明廣義相對論的計算結果與實測結果達到了極為精密的吻合,理論計算與實驗測量的差別只有幾百億分之一

現代的宇宙學,大爆炸理論也好,暗能量也好,都是運用廣義相對論與量子理論來解釋觀測到的天文現象。它們的正確與否在於它們能否解釋、預測觀測結果。

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