阿西莫夫:错误的相对性(三)

作者: 阿西莫夫

来源: 科学有故事

发布日期: 2016-11-05 10:05:25

本文讨论了科学理论的进步通常是对旧理论的轻度改进,而非彻底的革命。通过哥白尼、牛顿和爱因斯坦的例子,说明了即使是微小的修正也能带来巨大的科学进步。同时,文章还探讨了量子理论和相对论的现状,以及它们可能的合并,这将带来对宇宙更深入的理解。

这一点不仅反映在地球的形状上,而且也反映在许多其他情形中。即使新理论看起来代表着一种革命,它也通常产生于对旧理论的轻度改进。假如轻度改进满足不了需要,那么,这个旧理论就决不会存在下来。

哥白尼放弃了以地球为中心的行星系统,转而提倡以太阳为中心的行星系统。这样一来,他放弃了一件显而易见的事情,转而去支持一件表面上看起来很可笑的东西。但是,这关系到人们能不能找到更好的方法来计算行星在空中的运行。最终,地球中心说就落后了。旧理论存在了那么长时间,恰恰是因为根据当时的测量标准,它所给出的结果还相当好。

另外,恰恰因为地球的地质构造改变的非常缓慢,地球上的生物进化的也非常缓慢,所以才使得下列假定咋一看似乎很有道理:地球生物没有发生过任何变化,它们一直就是以目前的状态存在着。果真如此的话,地球和生物是存在了几十亿年还是只存在了几千年,不会有什么差别,倒是几千年更容易领会一些。

然而,人们通过仔细观察发现,地球和生物在以非常缓慢但不是零的速度变化着,这揭示了地球和生物一定很古老。于是,现代地质学就诞生了,生物进化论也诞生了。

假如变化的速度很快,地质学和进化论早在古代就已经达到了它们现代的水准。只是因为静止的宇宙和演化的宇宙在变化速度上的差别介于零和一个接近零的数值之间,才使得那些神创论者们能够继续兜售他们的愚蠢观点。

再者,如何评价20世纪两个最伟大的学说——相对论和量子力学?牛顿的运动理论和万有引力理论非常接近于正确,假如光速是无限的,它们就绝对正确了。然而,光速是有限的,爱因斯坦在他的相对论方程中把这个因素考虑了进去。因此,相对论方程是牛顿方程的延续和改进。

你可以说,无限和有限的差别,其本身就是无限的,但为什么牛顿方程没有立刻彻底失效?我们换一种方式,试问:光通过1米的距离需要多长时间?假如光以无穷大的速度传播,那它通过1米所需的时间是0秒。然而,当光以它实际速度传播时,则需要0.000 000 003 3秒。爱因斯坦所修正的,正是0和0.000 000 003 3之间的差别。

从概念上讲,这个修正正如同将地球的曲率从每千米0厘米修正到每千米12.626厘米一样重要。没有这个修正,就不能准确描述高速亚原子粒子的行为,不能使粒子加速器正常运行,不能使原子弹爆炸,也不能解释恒星的发光现象。然而,这只是极其微小的修正,难怪牛顿在他的时代未加考虑,因为他的观察仅限于速度和距离,而速度和距离上的修正是微乎其微的。同样,量子论之前的物理学所不足的地方,就在于它禁止宇宙的“粒子性”。

所有形式的能量统统被认为是连续的,并且可以无限分割成越来越小的单位。实际情况并非如此。能量是一份份的,它的大小取决于一个叫做普朗克常数的量。假如普朗克常量等于0尔格·秒,那么,能量将会是连续的,宇宙就不存在粒子性。然而,普朗克常数等于0.000 000 000 000 000 000 000 000 006 6尔格·秒(6.6 X 10^-27尔格·秒)。

它与0的偏差的确很小,小得连我们日常生活中的常规能量问题根本没有必要涉及它。但当我们研究亚原子粒子时,比较而言,粒子性就非常明显了,以至于不把量子因素考虑进去,就无法研究这些粒子。

因为理论修正的幅度越来越小,所以,即使十分古老的理论也一定有充分的正确性,使进步的发生成为可能,而这种正确性不会被后来的修正所抹杀。例如,希腊人引入了经纬度的概念,即使未考虑地球的球体形状他们还是合理地描绘了地中海盆地的地图。今天,我们仍然在沿用经纬度。

苏美尔人可能最早揭示了行星的运动法则,即行星在空中的运行显示出规律性,而且是可以预测的。即使他们假定地球是宇宙的中心,他们还是研究出了预测的方法。他们的测量结果后来进行了大幅度的修正,但这个法则仍然保留着。

牛顿的万有引力定律,虽然对极远的距离和极快的速度有所不足,但对我们太阳系却完全适用。哈雷彗星出现的时刻,与牛顿万有引力定律和运动定律的预测完全一致。火箭技术完全是建立在牛顿理论基础之上的,“旅行者二号”到达天王星的时刻,与预测时刻误差在1秒之内。所有这些,没有一样是相对论所禁止的。

在量子理论诞生之前的19世纪,一系列热力学定律得以建立,其中包括能量守恒的第一定律和熵必然增加的第二定律。其他某些守恒定律,例如动量、角动量和电荷守恒定律,也都相继确立。此外,得到确立的还有麦克斯韦电磁定律。所有这些定律,即使在量子理论诞生之后,还都巍然屹立着。

当然,在那位英语文学专家的过于简单化的意义上,我们现有的理论可能是错误的,但在比较实际、比较复杂的意义上,它们只应当看作不完善。例如,量子理论导致了某种被称之为“量子奇异性”的现象,它甚至对现实的本质坐出了严肃的质疑,引出了物理学家们简直不能接受的哲学难题。也许我们已经达到了某种程度——人的大脑不再能够领会问题;或者,量子理论还不够完善,一旦经过适当的改进,一切奇异现象都会消失。

另外,量子理论和相对论似乎是彼此独立的。虽然对于4种已知的相互作用,量子理论有可能把其中的3种合并在一个数学体系之内,但相对论领域的万有引力,却似乎仍然不能相容。如果量子论和相对论能够合并,那么,一个真正的“统一场理论”就有了形成的可能性。然而,即使这一切都实现了,那也不过是更为细致的修正。

它们会对我们的知识前沿产生影响,例如大爆炸的本质和宇宙的形成、黑洞中心的性质、星系和超新星演化的某些细微之处、等等。但是,我们现在所知道的一切,几乎都不会改变。所以,当我说我很庆幸能够生活在这样一个对宇宙有了基本认识的世纪时,我是有我的道理的。

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