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德国足球队:改变世界的十大经典物理实验及十大著名思想实验

2020-02-02 11:34:24 来源:EETOP
科学实验是物理学发展的基础,又是检验物理学理论的惟一手段,特别是现代物理学的发展,更和实验有着密切的联系。现代实验技术的发展,不断地揭示和发现各种新的物理现象,日益加深人们对客观世界规律的正确认识,从而推动物理学的向前发展。

中国棒球队 www.jdden.com.cn 此外在物理学中,有一类特殊的实验:它们不需要购置昂贵的仪器,不需要大量的人力物力,需要的只是有逻辑的大脑;而这种实验却可以挑战前人的结论,建立新的理论,甚至引发人们对世界认识的重新思考。这种实验就是传说中的思想实验。历史上的许多伟大物理学家,都曾设计过发人深思的思想实验,伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表,这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用,更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。

接下来为大家分别介绍一下比较公认的十大经典物理实验及十大著名思想实验。

十大经典物理实验

2002 年,美国两位学者在全美物理学家中做了一次调查,请他们提名有史以来最出色的十大物理实验,其中多数都是我们耳熟能详的经典之作。令人惊奇的是十大经典物理实验的核心是他们都抓住了物理学家眼中最美丽的科学之魂:由简单的仪器和设备,发现了最根本、最单纯的科学概念。十大经典物理实验犹如十座历史丰碑,扫开人们长久的困惑和含糊,开辟了对自然界的崭新认识。从十大经典物理实验评选本身,我们也能清楚地看出 2000 年来科学家们最重大的发现轨迹,就像我们“鸟瞰”历史一样。

排名第一:托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验

在20世纪初的一段时间中,人们逐渐发现了微观客体(光子、电子、质子、中子等)既有波动性,又有粒子性,即所谓的“波粒二象性”。“波动”和“粒子”都是经典物理学中从宏观世界里获得的概念,与我们的直观经验较为相符。然而,微观客体的行为与人们的日常经验毕竟相差很远。如何按照现代量子物理学的观点去准确认识、理解微观世界本身的规律,电子双缝干涉实验为一典型实例。

杨氏的双缝干涉实验是经典的波动光学实验,玻尔和爱因斯坦试图以电子束代替光束来做双缝干涉实验,以此来讨论量子物理学中的基本原理??墒?,由于技术的原因,当时它只是一个思想实验。直到 1961 年,约恩•孙制作出长为 50mm、宽为 0.3mm、缝间距为 1mm 的双缝,并把一束电子加速到 50keV,然后让它们通过双缝。当电子撞击荧光屏时显示了可见的图样,并可用照相机记录图样结果。电子双缝干涉实验的图样与光的双缝干涉实验结果的类似性给人们留下了深刻的印象,这是电子具有波动性的一个实证。更有甚者,实验中即使电子是一个个地发射,仍有相同的干涉图样。但是,当我们试图决定电子究竟是通过哪个缝的,不论用何手段,图样都立即消失,这实际告诉我们,在观察粒子波动性的过程中,任何试图研究粒子的努力都将破坏波动的特性,我们无法同时观察两个方面。要设计出一种仪器,它既能判断电子通过哪个缝,又不干扰图样的出现是绝对做不到的。这是微观世界的规律,并非实验手段的不足。

排名第二:伽利略的自由落体实验

伽利略(1564—1642)是近代自然科学的奠基者,是科学史上第一位现代意义上的科学家。他首先为自然科学创立了两个研究法则:观察实验和量化方法,创立了实验和数学相结合、真实实验和理想实验相结合的方法,从而创造了和以往不同的近代科学研究方法,使近代物理学从此走上了以实验精确观测为基础的道路。爱因斯坦高度评价道:“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一”。

16 世纪以前,希腊最著名的思想家和哲学家亚里斯多德是第一个研究物理现象的科学巨人,他的《物理学》一书是世界上最早的物理学专著。但是亚里斯多德在研究物理学时并不依靠实验,而是从原始的直接经验出发,用哲学思辨代替科学实验。亚里斯多德认为每一个物体都有回到自然位置的特性,物体回到自然位置的运动就是自然运动。这种运动取决于物体的本性,不需要外部的作用。自由落体是典型的自然运动,物体越重,回到自然位置的倾向越大,因而在自由落体运动中,物体越重,下落越快;物体越轻,下落越慢。

伽利略当时在比萨大学任职,他大胆地向亚里斯多德的观点挑战。伽利略设想了一个理想实验:让一重物体和一轻物体束缚在一起同时下落。按照亚里斯多德的观点,这一理想实验将会得到两个结论。首先,由于这一联结,重物受到轻物的牵连与阻碍,下落速度将会减慢,下落时间将会延长;其次,也由于这一联结,联结体的重量之和大于原重物体;因而下落时间会更短。显然这是两个截然相反的结论。

伽利略利用理想实验和科学推理,巧妙地揭示了亚里斯多德运动理论的内在矛盾,打开了亚里斯多德运动理论的缺口,导致了物理学的真正诞生。

人们传说伽利略从比萨斜塔上同时扔下一轻一重的物体,让大家看到两个物体同时落地,从而向世人展示了他尊重科学,不畏权威的可贵精神。

排名第三:罗伯特·密立根的油滴试验

很早以前,科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到,也可以通过摩擦头发得到。1897 年,英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909 年美国科学家罗伯特·密立根(1868—1953)开始测量电流的电荷。

他用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电的电极和一个通负电的电极。当小油滴通过空气时,就带了一些静电,它们下落的速度可以通过改变电极的电压来控制。当去掉电场时,测量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半径;加上电场后,可测出油滴在重力和电场力共同作用下的速度,并由此测出油滴得到或失去电荷后的速度变化。这样,他可以一次连续几个小时测量油滴的速度变化,即使工作因故被打断,被电场平衡住的油滴经过一个多小时也不会跑多远。

经过反复试验,密立根得出结论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量。他认为电子本身既不是一个假想的也不是不确定的,而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖演讲中强调了他的工作的两条基本结论,即“电子电荷总是元电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。

“科学是用理论和实验这两只脚前进的”,密立根在他的获奖演说中讲道,“有时这只脚先迈出一步,有时是另一只脚先迈出一步,但是前进要靠两只脚:先建立理论然后做实验,或者是先在实验中得出了新的关系,然后再迈出理论这只脚并推动实验前进,如此不断交替进行”。他用非常形象的比喻说明了理论和实验在科学发展中的作用。作为一名实验物理学家,他不但重视实验,也极为重视理论的指导作用。

排名第四:牛顿的棱镜分解太阳光

对光学问题的研究是牛顿(1642—1727)工作的重要部分之一,亦是他最后未完成的课题。牛顿 1665 年毕业于剑桥大学的三一学院,当时大家都认为白光是一种纯的没有其他颜色的光;而有色光是一种不知何故发生变化的光(亚里斯多德的理论)。1665—1667 年间,年轻的牛顿独自做了一系列实验来研究各种光现象。他把一块三棱镜放在阳光下,透过三棱镜,光在墙上被分解为不同颜色,后来我们将其称作光谱。在他的手里首次使三棱镜变成了光谱仪,真正揭示了颜色起源的本质。1672 年 2 月,牛顿怀着揭露大自然奥秘的兴奋和喜悦,在第一篇正式的科学论文《白光的结构》中,阐述了他的颜色起源学说,“颜色不像一般所认为的那样是从自然物体的折射或反射中所导出的光的性能,而是一种原始的、天生的性质”。“通常的白光确实是每一种不同颜色的光线的混合,光谱的伸长是由于玻璃对这些不同的光线折射本领不同”。

牛顿《光学》著作于 1704 年问世,其中第一节专门描述了关于颜色起源的棱镜分光实验和讨论,肯定了白光由七种颜色组成。他还给这七种颜色进行了命名,直到现在,全世界的人都在使用牛顿命名的颜色。牛顿指出,“光带被染成这样的彩条:紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色,还有所有的中间颜色,连续变化,顺序连接”。正是这些红、橙、黄、绿、青、蓝、紫基础色不同的色谱才形成了表面上颜色单一的白色光,如果你深入地看看,会发现白光是非常美丽的。

 

这一实验后人可以不断地重复进行,并得到与牛顿相同的实验结果。自此以后七种颜色的理论就被人们普遍接受了。通过这一实验,牛顿为光的色散理论奠定了基础,并使人们对颜色的解释摆脱了主观视觉印象,从而走上了与客观量度相联系的科学轨道。同时,这一实验开创了光谱学研究,不久,光谱分析就成为光学和物质结构研究的主要手段。

排名第五:托马斯·杨的光干涉试验

牛顿在其《光学》的论著中认为光是由微粒组成的,而不是一种波。因此在其后的近百年间,人们对光学的认识几乎停滞不前,没有取得什么实质性的进展。1800 年英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)向这个观点提出了挑战,光学研究也获得了飞跃性的发展。

杨在“关于声和光的实验与研究提纲”的论文中指出,光的微粒说存在着两个缺点:一是既然发射出光微粒的力量是多种多样的,那么,为什么又认为所有发光体发出的光都具有同样的速度?二是透明物体表面产生部分反射时,为什么同一类光线有的被反射,有的却透过去了呢?杨认为,如果把光看成类似于声音那样的波动,上述两个缺点就会避免。

为了证明光是波动的,杨在论文中把“干涉”一词引入光学领域,提出光的“干涉原理”,即“同一光源的部分光线当从不同的渠道,恰好由同一个方向或者大致相同的方向进人眼睛时,光程差是固定长度的整数倍时最亮,相干涉的两个部分处于均衡状态时最暗,这个长度因颜色而异”。杨氏对此进行了实验,他在百叶窗上开了一个小洞,然后用厚纸片盖住,再在纸片上戳一个很小的洞。让光线透过,并用一面镜子反射透过的光线。然后他用一个厚约1/30英寸的纸片把这束光从中间分成两束,结果看到了相交的光线和阴影。这说明两束光线可以像波一样相互干涉。这就是著名的“杨氏干涉实验”。

杨氏实验是物理学史上一个非常著名的实验,杨氏以一种非常巧妙的方法获得了两束相干光,观察到了干涉条纹。他第一次以明确的形式提出了光波叠加的原理,并以光的波动性解释了干涉现象。随着光学的发展,人们至今仍能从中提取出很多重要概念和新的认识。无论是经典光学还是近代光学,杨氏实验的意义都是十分重大的。爱因斯坦(1879—1955)指出:光的波动说的成功,在牛顿物理学体系上打开了第一道缺口,揭开了现今所谓的场物理学的第一章。这个试验也为一个世纪后量子学说的创立起到了至关重要的作用。

排名第六:卡文迪许扭矩实验

牛顿的万有引力理论指出:两个物体之间的吸引力与它们质量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比。但是万有引力到底多大?

18 世纪末,英国科学家亨利·卡文迪什(1731—1810)决定要找到一个计算方法。他把两头带有金属球的 6 英尺长的木棒用金属线悬吊起来。再用两个 350 磅重的皮球分别放在两个悬挂着的金属球足够近的地方,以吸引金属球转动,从而使金属线扭动,然后用自制的仪器测量出微小的转动。

测量结果惊人的准确,他测出了万有引力的引力常数 G。牛顿万有引力常数 G 的精确测量不仅对物理学有重要意义,同时也对天体力学、天文观测学,以及地球物理学具有重要的实际意义。人们在卡文迪什实验的基础上可以准确地计算地球的密度和质量。

排名第七:埃拉托色尼测量地球圆周

埃拉托色尼(约公元前 276一约前 194)公元前 276 年生于北非城市塞里尼(今利比亚的沙哈特)。他兴趣广泛,博学多才,是古代仅次于亚里斯多德的百科全书式的学者。只是因为他的著作全部失传,今天才对他不太了解。

埃拉托色尼的科学工作极为广泛,最为著名的成就是测定地球的大小,其方法完全是几何学的。假定地球是一个球体,那么同一个时间在地球上不同的地方,太阳线与地平面的夹角是不一样的。只要测出这个夹角的差以及两地之间的距离,地球周长就可以计算出来。他听说在埃及的塞恩即今天的阿斯旺,夏至这天中午的阳光悬在头顶,物体没有影子,光线可以直射到井底,表明这时的太阳正好垂直塞恩的地面,埃拉托色尼意识到这可以帮助他测量地球的圆周。他测出了塞恩到亚历山大城的距离,又测出夏至正中午时亚历山大城垂直杆的杆长和影长,发现太阳光线有稍稍偏离,与垂直方向大约成 7° 角。剩下的就是几何问题了。假设地球是球状,那么它的圆周应是 360°。如果两座城市成 7° 角(7/360 的圆周),就是当时 5000 个希腊运动场的距离,因此地球圆周应该是 25 万个希腊运动场,约合 4 万千米。今天我们知道埃拉托色尼的测量误差仅仅在 5% 以内,即与实际只差 100 多千米。

排名第八:伽利略的加速度试验

伽利略利用理想实验和科学推理巧妙地否定了亚里斯多德的自由落体运动理论。那么正确的自由落体运动规律应是怎样的呢?由于当时测量条件的限制,伽利略无法用直接测量运动速度的方法来寻找自由落体的运动规律。因此他设想用斜面来“冲淡”重力,“放慢”运动,而且把速度的测量转化为对路程和时间的测量,并把自由落体运动看成为倾角为 90° 的斜面运动的特例。在这一思想的指导下,他做了一个 6 米多长,3 米多宽的光滑直木板槽,再把这个木板槽倾斜固定,让铜球从木槽顶端沿斜面滚下,然后测量铜球每次滚下的时间和距离的关系,并研究它们之间的数学关系。亚里斯多德曾预言滚动球的速度是均匀不变的:铜球滚动两倍的时间就走出两倍的路程。伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平方成比例:两倍的时间里,铜球滚动 4 倍的距离。他把实验过程和结果详细记载在 1638 年发表的著名的科学著作《关于两门新科学的对话》中。

伽利略在实验的基础上,经过数学的计算和推理,得出假设;然后再用实验加以检验,由此得出正确的自由落体运动规律。这种研究方法后来成了近代自然科学研究的基本程序和方法。

伽利略的斜面加速度实验还是把真实实验和理想实验相结合的典范。伽利略在斜面实验中发现,只要把摩擦减小到可以忽略的程度,小球从一斜面滚下之后,可以滚上另一斜面,而与斜面的倾角无关。也就是说,无论第二个斜面伸展多远,小球总能达到和出发点相同的高度。如果第二斜面水平放置,而且无限延长,则小球会一直运动下去。这实际上是我们现在所说的惯性运动。因此,力不再是亚里斯多德所说的维持运动的原因,而是改变运动状态(加速或减速)的原因。

把真实实验和理想实验相结合,把经验和理性(包括数学论证)相结合的方法,是伽利略对近代科学的重大贡献。实验不是也不可能是自然观象的完全再现,而是在人类理性指导下的对自然现象的一种简化和纯化,因而实验必须有理性的参与和指导。伽利略既重视实验,又重视理性思维,强调科学是用理性思维把自然过程加以纯化、简化,从而找出其数学关系。因此,是伽利略开创了近代自然科学中经验和理性相结合的传统。这一结合不仅对物理学,而且对整个近代自然科学都产生了深远的影响。正如爱因斯坦所说:“人的思维创造出一直在改变的宇宙图景,伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重要意义”。

排名第九:卢瑟福散射与原子的有核模型

卢瑟福(1871—1937)在 1898 年发现了 a 射线。1911 年卢瑟福在曼彻斯特大学做放射能实验时,原子在人们的印象中就好像是“葡萄干布丁”,即大量正电荷聚集的糊状物质,中间包含着电子微粒,但是他和他的助手发现向金箔发射带正电的 a 射线微粒时有少量被弹回,这使他们非常吃惊。通过计算证明,只有假设正电球集中了原子的绝大部分质量,并且它的直径比原子直径小得多时,才能正确解释这个不可想象的实验结果。为此卢瑟福提出了原子的有核模型:原子并不是一团糊状物质,大部分物质集中在一个中心的小核上,称之为核子,电子在它周围环绕。

这是一个开创新时代的实验,是一个导致原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性质的重要实验。同时他推演出一套可供实验验证的卢瑟福散射理论。以散射为手段研究物质结构的方法,对近代物理有相当重要的影响。一旦我们在散射实验中观察到卢瑟福散射的特征,即所谓“卢瑟福影子”,则可预料到在研究的对象中可能存在着“点”状的亚结构。此外,卢瑟福散射也为材料分析提供了一种有力的手段。根据被靶物质大角散射回来的粒子能谱,可以研究物质材料表面的性质(如有无杂质及杂质的种类和分布等),按此原理制成的“卢瑟福质谱仪”已得到广泛应用。

排名第十:米歇尔·傅科钟摆试验

1851 年,法国著名物理学家傅科(1819—1868)为验证地球自转,当众做了一个实验,用一根长达 67m 的钢丝吊着一个重 28kg 的摆锤《摆锤直径 0.30m),摆锤的头上带有钢笔,可观测记录它的摆动轨迹。傅科的演示说明地球是在围绕地轴旋转。在巴黎的纬度上,钟摆的轨迹是顺时针方向,30 小时一周期;在南半球,钟摆应是逆时针转动;而在赤道上将不会转动;在南极,转动周期是 24 小时。

 

这一实验装置被后人称为傅科摆,也是人类第一次用来验证地球自转的实验装置。该装置可以显示由于地球自转而产生科里奥利力的作用效应,也就是傅科摆振动平面绕铅垂线发生偏转的现象,即傅科效应。实际上这等同于观察者观察到地球在摆下的自转。

补充:

还有很多经典实验没有排在上面的十大实验里面,但是并不一定逊于以上实验,比如著名的MM实验。

MM实验

迈克尔逊-莫雷实验(Michelson-Morley Experiment),简称MM实验,是1887年迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个开端,在物理学发展史上占有十分重要的地位。为爱因斯坦狭义相对论光速不变公设提供了实验依据。

物理学中十大著名的思想实验

在物理学中,有一类特殊的实验:它们不需要购置昂贵的仪器,不需要大量的人力物力,需要的只是有逻辑的大脑;而这种实验却可以挑战前人的结论,建立新的理论,甚至引发人们对世界认识的重新思考。这种实验就是传说中的思想实验。历史上的许多伟大物理学家,都曾设计过发人深思的思想实验,伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表,这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用,更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。这篇文章将从易到难地介绍一下物理学历史上的几个著名思想实验。

1. 惯性原理

自从亚里士多德时代以来,人们一直以为力是运动的原因,没有力的作用物体的运动都会静止。直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验,人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动。

#实验#设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨,一个小球可以在上面无摩擦的滚动。让小球从左端往下滚动,小球将滚到右边的同样高度。如果降低右侧导轨的斜率,小球仍然将滚动到同样高度,此时小球在水平方向上将滚得更远。斜率越小,则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平,则根据前面的经验,如果无摩擦力阻碍,小球将会一直滚动下去,保持匀速直线运动。

在任何实际的实验当中,因为摩擦力总是无法忽略,所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理,这也正是古人没有得出惯性原理的原因。然而思想实验就可以做到,仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性,这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒!

2. 两个小球同时落地

仍是受亚里士多德的影响,伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快,而越轻的物体下落越慢。伽利略在比萨斜塔上的著名实验人尽皆知,可是很多人不知道的是,其实在这之前伽利略已经通过一个思想实验证明了两个小球必须同时落地:

#实验#如果亚里士多德的论断是对的话,那么不妨设想把一个重球和一个轻球绑在一起下落。由于重的落得快而轻的落得慢,轻球会拖拽住重球给它一个阻力让它减速,因此俩球的下落速度应该会介于重球和轻球下落速度之间。然而,如果把两个球看成一个整体,则总重量大于重球,它应当下落得比重球单独下落时更快的。于是这两个推论之间自相矛盾,亚里士多德的论断错误,两个小球必须同时落地。

有了上述思想实验,实际上两个小球同时落地就已经不仅是一个物理上成立的定律了,而是在逻辑上就必须如此。在这个例子中,思想实验起到了真实实验无法达到的作用:即便在我们高中所学的牛顿引力理论不适用的情形,两个小球同时落地依然是成立的!后面我会讲到广义相对论中的等效原理,这个思想实验在逻辑上的必然成立是爱因斯坦总结出等效原理的关键因素。

3. 牛顿的大炮

#实验#如图,一门架在高山上的大炮以很高的速度向外水平地发射炮弹,炮弹速度越快,就会落到越远的地方。一旦速度足够快,则炮弹就永远也不会落地,而是会绕着地球作周期性的运动。

牛顿的这一简单的思想实验,第一次让人们认识到,原来月球不会掉到地上来(也不会飞走)的原因,正是导致苹果落地的引力!牛顿的引力理论促成了人们认识上的一个飞跃:天上的东西并不“神圣”,他们遵循的规律和地上的普通物体完全一致。

4. 水桶实验

#实验#用长绳吊一水桶,让它旋转至绳扭紧,然后将水注入,水与桶暂时都处于静止中,这时显然液面水平。再突然使桶反方向旋转,刚开始的时候水面并未跟随着运动,此时水面仍然水平。但是后来,桶逐渐把运动传递给水,使水也开始旋转,就可以看到水渐渐离开其中心而沿桶壁上升形成凹面。运动越快,水升的越高。倘若此时突然让桶静止,水由于惯性仍将旋转,此时的液面仍为凹面。牛顿认为,水面的下凹,不是由水对周围的相对运动造成的,而是由水的绝对的、真正的圆周运动造成的,因此由水面的下凹就可以判断绝对运动的存在。

这一思想实验,是牛顿为了论证绝对空间的存在而设计出来的。然而,众所周知,牛顿的绝对时空观其实是错误的,也就是说这一思想实验其实是个失败的例子。这一谬误,在100多年之后才被哲学家兼物理学家马赫所指出。马赫认为,水面的凹陷,并不是由于水相对于“绝对空间”的运动,而是由于相对宇宙间的所有其他物体的运动,这些其他所有物体通过引力对水施加了作用。其中起决定性作用的物体则是遥远的天体,正是遥远的天体的“参考系拖拽”作用使得相对于它们旋转的液面发生了凹陷。马赫认为并不存在绝对空间,所有参考系等价。倘若能够使水面保持静止,而让所有遥远天体一同旋转,按照马赫的观点,静止水面将产生凹液面。我们显然无法做这样的实验,但是如果用几公里厚的水桶做上面的水桶实验,则人们便不能肯定牛顿对液面的平凹的判断了。。后来,马赫的观点对爱因斯坦发明广义相对论产生了决定性的影响,马赫原理本身也随着广义相对论的逐渐证实而得到了广泛认可。

5.奥伯斯佯谬

在20世纪的宇宙大爆炸理论提出之前,人们对于宇宙的认识是朴素的:宇宙无限大、存在的时间无限长、宇宙处于稳恒态、宇宙中的星体分布在大尺度上均匀。然而那时的人们不知道的是,从这四条基本假设却可以逻辑地推出与事实明显相悖的结论——奥伯斯佯谬:

#实验#如果宇宙是稳恒,无限大,时空平直的,其中均匀分布着同样的发光体,由于发光体的照度与距离的平方成反比,而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比,这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛,黑夜的天空应当是无限亮的。

然而每天的黑夜总是如期降临,天空并不是一直无限亮着。这就说明以前我们对宇宙的认识存在问题。奥伯斯本人给出了一个解释,他认为宇宙中存在的尘埃、不发光的星体吸收了一部分光线。然而这个解释是错误的,因为根据热力学第一定律,能量必定守恒,故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射,结果导致天上有均匀的辐射,温度应当等于发光体表面的温度,也即天空和星体一样亮,然而事实上没有观察到这种现象。直到宇宙大爆炸理论的提出,奥伯斯佯谬才迎刃而解。根据大爆炸理论,宇宙诞生于150亿年前的一个大爆炸,到现在宇宙仍处在膨胀的过程当中,因此,宇宙的存在时间便是有限的,并且并非处在稳恒态。四条基本假设的两条已经不再成立,因此奥伯斯佯谬也自然被瓦解。

6.拉普拉斯妖

牛顿之后的时代,经典力学在描述世界上产生了巨大的成功,人们逐渐的相信世界是可以用物理定律机械地描述的。比较极端地,拉普拉斯就相信机械决定论,认为世间万物(包括人类、社会)都逃不过确定的物理定律的掌控。

  #实验#“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去果以及未来的因。如果一个智能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置,假如他也能够对这些数据进行分析,那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的,而未来只会像过去般出现在他面前。”——拉普拉斯

拉普拉斯提到的“智能”,便是后人所称的“拉普拉斯妖”。倘若拉普拉斯妖是存在的,那这个世界也太可怕了:你我的行为全部都可以通过计算得出,我们的命运也全都被物理定律+初始条件严格的定出了,没有什么会是计算之外的,那生活还有什么乐趣可言!幸运的是,混沌理论和量子力学的发展,让拉普拉斯妖永远也不可能存在了。量子力学告诉我们,物理量都是有不确定性的,不可能无误差地精确测量。而混沌理论则表明,只要涉及3个及更多的物体,初始条件的极其微小的差别将导致最后结果的千差万别。从另一个角度来说,拉普拉斯妖是基于经典力学可逆过程的,然而真实的系统确实满足热力学第二定律(熵增原理)的不可逆过程。因此世界仍是充满不确定性充满了惊喜的,人也可以凭借自己的主观努力去改变自己的命运。

7. 麦克斯韦妖

中学时我们都曾学过热力学第二定律(熵增原理):孤立系统的不可逆过程熵总是在增加。“落叶永离,覆水难收;欲死灰之复燃,艰乎其力;愿破镜之重圆,冀也无端;人生易老,返老还童只是幻想;生米煮成熟饭,无可挽回...”这些都是熵增原理在实际生活中的反应,它现在也已经成为了物理学中最牢不可破的原理之一。然而当年麦克斯韦却曾提出过一个对熵增原理的诘难,非常令人困惑。

#实验#一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由“麦克斯韦妖”控制的一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,这样,其中的一格就会比另外一格温度高,系统的熵降低了??梢岳么宋虏?,驱动热机做功,而这是与热力学第二定律相矛盾的。

对于这个诘难的反驳,可并不是一件轻松的事情。有人可能以为麦克斯韦妖在打开、关闭门的时候需要消耗能量,这里产生的熵增会抵消掉系统熵的降低。然而开关门消耗的能量却不是本质的,它可以任意降低到足够小。对于麦克斯韦妖的真正解释,直到20世纪才被揭开。关于熵的问题向来比较难懂,因此我直接引用赵凯华先生在《新概念力学·热学》中的话:“麦克斯韦妖有获得和存储分子运动信息的能力,它靠信息来干预系统,使它逆着自然界的方向进行。按现代的观点,信息就是负熵,麦克斯韦妖将负熵输入给系统,降低了它的熵。那么,麦克斯韦妖怎样才能获得所需的信息呢?它必须有一个温度与环境不同的微型光源去照亮分子,这就需要耗费一定的能量,产生额外的熵。麦克斯韦妖正是以此为代价才获得了所需的信息(即负熵)的,这额外熵的产生补偿了系统里熵的减少。总起来说,即使真有麦克斯韦妖存在,它的工作方式也不违反热力学第二定律。”

8. 双生子佯谬

爱因斯坦的狭义相对论建立了全新的时空观,对于当时的人们来说难以接受。因此自从提出以来,狭义相对论就受到了各种诘难,其中最著名的当属双生子佯谬。但是无论如何诘难,狭义相对论都可以很完美的给出解释,所有的佯谬都被一一化解,研究这些佯谬可以更加深刻的理解狭义相对论的时空观。

#实验#在狭义相对论中,运动的参考系时间会变缓,即所谓的动钟变慢效应。现在设想这样一个情景:有一对双胞胎A和B,A留在地球上,B乘坐接近光速的飞船向宇宙深处飞去。飞船在飞出一段距离之后掉头往回飞,最终降落回地球,两兄弟见面。现在问题来了:A认为B在运动的时候时间变慢,B应当比A年轻;而同样地,在B看来,是A一直在运动,是A的时间变慢了,A应当比B年轻才是。那么兄弟俩究竟谁更年轻呢?狭义相对论是否自相矛盾了?

事实上,理解双生子佯谬的关键,是要清楚A和B的地位并不对等:两人中只有B经历了加速过程,B在飞船掉头的时候不可避免的要经历一次加速。因此,只有A才是处在狭义相对论成立的惯性系当中,只有A的看法是正确的:当兄弟俩见面时,B比A更年轻。类似的效应已经被精密实验所证实了。其实只要用狭义相对论做详尽的计算,也能够从B的角度理解为什么B比A更年轻,但是这不得不做繁琐的计算,这里就不给出了。至此我们可以放心地说,狭义相对论在这个问题上是没有包含矛盾的。但是出去旅游一圈的双胞胎兄弟居然回来就比较年轻了,这一点可是颠覆了大多数人的世界观的...可是这是事实,不信也得信呀!

9. 等效原理

在中学里大家都学了质量的概念,然而事实上是有两种不同的质量的:惯性质量和引力质量。惯性质量是F=ma中的m,它是惯性大小的量度;引力质量是F=GMm/r^2中的m,它是引力大小的量度。之所以中学里并不对这二者进行区分,是因为这二者精确地相等。这一事实并不是理所当然的,而爱因斯坦正是通过这一神奇的事实,归纳出了广义相对论的一个基本假设:等效原理。

#实验#设想一个处于自由空间(没有引力作用)中的宇宙飞船,它以a=9.8m/s^2的加速度做加速直线运动。倘若里面的人扔出一个小球,小球由于惯性,将以9.8m/s^2的加速度落地;而这正如一个处于引力场中的惯性系所表现的那样。非惯性系中的惯性力正比于惯性质量,而引力则正比于引力质量。惯性质量与引力质量相等这一事实,导致了惯性力与引力这两种效应无法区分,这就是弱等效原理。爱因斯坦进一步推广,对于一切物理过程(不仅仅是力学过程),自由空间中的加速运动参考系,与引力作用下的惯性系,这二者在原则上完全不可区分,这就是强等效原理。

“引力场中一切物体都具有同一的加速度,这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等,它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇,并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙。”——爱因斯坦。

10.薛定谔的猫

薛定谔的猫恐怕是物理界最著名的一只虚构小动物了,它是量子力学的创始人之一——薛定谔为了说明量子力学并不完备而提出的。

#实验#把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,猫则处在死和活的叠加态,即“既死又活”(而不是很多人误解的“半死不活”、“要么死要么活”)。但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。现在的问题是:这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种?在打开盒子观察以前,这只猫是死了还是活着抑或既死又活?这个实验的原意是想说明,如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的状态给出一个合理解释的话,量子力学本身是不完备的。

薛定谔的猫是物理学家的一个噩梦,它把微观的量子力学效应放大到了宏观的日常生活,使得一切都变得十分诡异。对于薛定谔的猫的解释,涉及到了多种对量子力学的深刻哲学理解,本文就不详述了。

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