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跟我读完一本书《思维简史》从“精确的”世界,到“随机的”世界

2018-11-27  赵刚3331...

跟我读完一本书《思维简史》从“精确的”世界,到“随机的”世界

这本书一共讲了三个部分的内容,第一部分我们重点谈到了,是人类的好奇心和求知欲,带来了科学思维的出现,让人类和其他动物在思维上逐渐拉开差距。我们从占星术发展出了天文学,从炼金术发展出了化学等等。第二部分的内容,我们讲到了,亚里士多德开创了人类理性的思维,而伽利略则开创了以实验为基础的科学精神。

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从伽利略此后的几百年,我们的各门学科得到了飞速发展,尤其物理学发展到牛顿力学理论问世以后,几乎所有物理学家都认为,物理学研究已经接近尾声。当时的科学家们甚至认为物理学的大厦已经基本建成,剩下的工作只不过是修修补补而已。而不协调的只有物理学天空上小小的'两朵乌云'。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕:一朵乌云下降生了量子论,紧接着从另一朵乌云下降生了相对论。量子论和相对论的诞生,使整个物理学面貌为之一新。而这两朵乌云都和一个人有密切的关系,他就是爱因斯坦。

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爱因斯坦

1879年出生于德国犹太家庭的爱因斯坦,在瑞士专利局工作期间发表了三篇对当今物理学影响深远的论文,其中最为著名的就是关于相对论的了,准确的说应该是狭义相对论。那你知道什么是狭义相对论,它又是怎么颠覆牛顿的定律的呢?

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在解释相对论之前,我们要了解个前提条件,就是在此之前,物理学家麦克斯韦已经证明光速是恒定的,而且光速的恒定是跟测量者的位置和速度都是没关系的。也就是说,不管你是坐在飞机上测试,还是站在原地测试光速,它的速度总是恒定的大约是30万公里每秒。有了这个前提,让我们来了解一下神奇的狭义相对论。

跟我读完一本书《思维简史》从“精确的”世界,到“随机的”世界

想象一下,你正在火车站的月台上,一列火车呼啸而过,火车的速度假设是100米/秒。一名乘客在火车上以每秒5米的速度往前走,在月台上的你看来,这名乘客的移动速度是105米每秒。这个很好理解,就是火车的移动速度加上你的移动速度。这完美符合牛顿力学里最基本的速度叠加原理。但是问题来了,如果这个时候,火车上行走的不是你,而是光呢?比如你在火车上打开手电筒,那这时候在月台上的你,观察到的光的速度是不是变成,光速再加上火车移动的速度了呢?那不是大于光速了?这和前面讲的光的速度,在任何位置测量都是恒定不变的原理就矛盾了呀。给大家三秒钟再回忆和思考一下刚才的逻辑。

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那爱因斯坦是如何解释这个矛盾的呢?

我们都知道,速度等于距离除以时间,而麦克斯韦的理论又说光的速度是固定的,这就告诉我们在测量距离和时间时,不会存在普遍的一致性。也就是说移动的物体的时间和距离都会变,但它们的比值,也就是光速是恒定不变的。爱因斯坦表示,世界上没有通用的钟表或者通用的米尺,所有这样的测量都取决于观察者的运动。我们每个人观察和测量的结果只不过是我们自己的个人观点,而不是一个所有人都认同的事实。这就是爱因斯坦狭义相对论的精髓。

狭义相对论认为时间不是绝对的,每个人的时间都有微小的差别。爱因斯坦指出,随着物体线性运动速度的加快,时间会变慢。后来使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性,将一个钟表留在地面上,而携带另一个以很快速度移动,如在飞机上,然后进行比较,静止的钟表总比另一个稍微快一点。不仅移动物体的时间会变慢,它的长短也会变短。爱因斯坦指出,任何物体以光速运动时,其长度将会缩短为零。

现在我们知道,牛顿的力学体系其实是有它的适用范围的,它只能在低速宏观的条件下使用,而当物体以接近光速运动的时候牛顿的力学就会时效,因为它与光速恒定的原理矛盾了,这时候我们要用相对论力学来修正它。我们也可以理解为,牛顿力学是相对论力学在速度远小于光速时候的一个特例。

爱因斯坦不仅创立了相对论,还提出光量子假说和解决了光电效应问题,并在1921年获得了诺贝尔奖。爱因斯坦被公认为是继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家。1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。

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说完了相对论,接着让我们简单了解一下什么是量子力学。如果说牛顿的物理系统是宏观世界的物理学,那么量子理论就是微观世界的物理学。牛顿的力学理论认为,所有物体的运动变化都是可以精确测量的,世界就像精确运行的钟表,而量子力学颠覆了这种观念,带来了重要的“不确定性”思维。

量子力学为什么带来了不确定性?我们讲到举一个例子,比如你现在的客厅里有一只猫,我们通常认为,一个物体的存在有一个确定的空间位置,这种存在,是不以人的意志为转移的、是客观的,要么这只猫在客厅,要么不再,总之它不可能既在客厅,又不在客厅,这是我们通常认为不可能的,而在微观世界的量子理论看来,这种情况是真实存在的。

你是不是觉得非常神奇?

在微观世界里也是一样,当我们试图去测量电子的位置时,科学家们发现根本无法办到,因为我们测量这一动作,会影响电子的位置,也就是电子的位置是随着我们的观察而随机变化的。在微观世界,粒子的运动变化是完全随机和具有不确定性的。当然这样的现象不仅你不相信,就连爱因斯坦也不敢相信,他不相信在规律变化的世界里,还存在者一种随机和不确定性的世界观,于是有了那句名言:上帝从不掷骰子。

在牛顿力学体系中,能量的吸收和释放是连续的,物质可以吸收任意大小的能量。后来科学家们发现,其实能量真实的吸收和释放,只能够以某个的量级为最小单位,一份一份的吸收和释放,并不是连续的,这就导致了牛顿力学在大尺度上和实验符合的很好,但在小尺度上偏差很大,所以微观世界粒子的运动变化并不遵循牛顿的经典理论。所以薛定谔在普朗克的量子理论体系上建立了薛定谔方程,从而开辟了量子力学。当然量子力学非常艰深,我们只是粗略和简单地描述了一下,具体的我们就不展开了。

量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律,为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。量子理论也成为了包括计算机、互联网、卫星和手机以及所有电器技术的基础理论,为人类科技的发展奠定了坚实的基础。

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牛顿的力学理论让我们以为,世界像钟表一样精确运行,我们对自然是完全可以掌控和计算的;而量子理论告诉我们,人类已知的东西是有限的,微观世界充满了随机性,我们已知的物质只占到了宇宙的5%,还有95%我们根本不知道是什么,我们也无法控制,宇宙是一个充满非凡秘密的地方,有太多未知的可能,唯有通过人类的好奇心和求知欲去探索和发现。

好了,这本书的内容我们就介绍到这来,让我们来简单回顾一下今天的内容。

首先,我们讲到了,人类从几百万年前的大猩猩开始,经历了直立人、智人,最后一批智人进化成了我们现在的人类,在这一系列进化过程中,人类不仅进化出了发达的大脑,还让我们掌握了语言和文字,而且更重要的让我们发展出了更高级别的思维能力,思维能力的差异让我们 和其他物种拉开了差距,从而站到了地球食物链的顶端,而这一切的背后,人类的好奇心和求知欲是驱动科学思维出现的源泉和根本,也就是人类不仅会问为什么,而且还会去探寻问题的答案。

其次,我们讲到了,从人类开创了科学思维以后,人类文明得到了空前进步,我们也展开了对宇宙全方面的求知和探索。从天文学、物理学、到化学和生物学,人类求知和探索的脚步从未停歇,人类的科学思维也从以亚里士多德的定性研究,逐渐演变到了以伽利略为代表的定量研究,也就是以实验为基础的科学研究。这使得人类探索世界更进一步,甚至有人认为,到了牛顿的力学理论,我们对于世界的探索已经接近尾声,离解开上帝最后一块面纱越来越近了。而实时证明并没有那么简单。

最后,我们讲到了,以爱因斯坦为代表的近现代科学家们开创了相对论和量子论,打开了人类探索世界的新领域。在相对论的带领下,我们才意识到,牛顿的力学体系只是在低速宏观下的特殊状态,在高速的状态下,事物的运动变化并不遵循牛顿的运动定律;而在微观世界,我们的世界观再一次被颠覆了,和牛顿力学描述的宏观世界不同,量子力学所描述的微观世界具有高度的不确定性。我们才意识到,人类对宇宙的认知还只是冰山一角,还有更加广阔的未知领域等待着我们去探索。

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