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能否击穿1厘米厚的钢板,物理学史上最大的错误

点击: 95 次  来源:http://www.010zws.com 时间:2020-02-16

我们都喜欢,我们最珍视的,关于世界和宇宙如何运作的观点。我们对现实的理解,常常与我们对自己的认识,密不可分。但要成为一名科学家,就要准备好,每次我们进行测试时,都要对所有的问题表示怀疑。只需要一个与你的理论预测相冲突的观察、测量或实验,你就必须考虑修正或抛弃你对现实的看法。如果你能重现,那个科学测试,并令人信服地证明,它与流行的理论不一致,你就为一场科学革命奠定了基础。但如果你不愿意将你的理论或假设付诸实践,你可能会犯物理学史上最大的错误。

牛顿和爱因斯坦都是迄今为止最伟大的物理学家, 前者是经典物理的代表,后者则是现代物理学的开拓者。

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拥有英雄是人类的天性:我们仰慕、钦佩、渴望成为英雄。在物理学领域,几个世纪以来最伟大的英雄是艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。牛顿代表了人类科学成就的顶峰。他的万有引力理论完美地描述了从彗星、行星和卫星的运动到几个世纪以来物体如何落在地球上的一切。他对物体如何运动的描述,包括他的运动定律,以及物体如何受到力和加速度的影响,即使在今天,在几乎所有情况下都是有效的。挑战牛顿是愚蠢的事。

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“如果我们能够把一根竹筷加速到光速,那能不能击穿厚度为1厘米的均质钢板?”这样的假设非常常见。那真的有可能吗?

这就是为什么在19世纪早期,年轻的法国科学家奥古斯汀·让·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)本应预料到自己将陷入的麻烦。

艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)爵士,英国皇家学会会长,英国着名的物理学家,百科全书式的“全才”,着有《自然哲学的数学原理》、《光学》。

实际上,这件事是不太可能的,至于为什么不可能,我们今天就来聊一聊这个问题。

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他在1687年发表的论文《自然定律》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;为太阳中心说提供了强有力的理论支持,并推动了科学革命。

相对论

在力学上,牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理,提出牛顿运动定律 。在光学上,他发明了反射望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。

我们人类所处的环境其实是宏观低速的环境,在这个环境中,牛顿力学是精准的,可以非常好地描述这个尺度下的物体运动规律。可是到了19世纪末,20世纪初,科学家就发现一个问题,那就是牛顿力学开始变得不够准了。

在数学上,牛顿与戈特弗里德·威廉·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研究做出了贡献。

这当中的本质其实是尺度发生了变化,在那段时间,科学家可以尝试去观测到纳米级以下尺度的物理学规律,同时也可以观测到引力特别大或者速度接近于光速的物理学现象。也就是说,由于人类的视野不再局限于宏观低速,视野变得开阔,可以看到更多的物理学现象,这时就发现牛顿理论出现了令人无法接受的误差。

在经济学上,牛顿提出金本位制度。

在小尺度之下,也就是亚原子级的微观世界里,科学家提出了量子力学来描述,它在这尺度下比牛顿力学要精准得多。

牛顿主要的贡献是万有引力定律,微积分和力学三大定律。三大定律分别是惯性定律,加速度定律,和力的相互作用。

而在引力大或者接近于光速的高速状态下,爱因斯坦提出了相对论来描述,这个理论在描述这些现象时都无比的精确。

牛顿力学统治了物理学三百年左右,其理论和实践也相符的很好。但是直到近现代,物理学开始深入了微观世界,发现牛顿力学定律就开始失效。比如核外电子是概率性的分布着,而不是按照万有引力 运动着!

更令科学家乐于见到的是这两个理论都兼容了牛顿力学,牛顿力学是这两个理论在宏观低速下的近似解。

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筷子真的可以到达光速吗?

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日),出生于德国符腾堡王国乌尔姆市,毕业于苏黎世联邦理工学院,犹太裔物理学家。

而如果我们要把一根筷子加速到光速,这时候就不是用牛顿力学来描述了,更具体的说我们不能被宏观低速的情况蒙蔽了眼睛。而根据相对论,筷子在被加速的过程中,筷子的质量是会发生改变的,

爱因斯坦于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭,1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,1905年创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。1955年4月18日去世,享年76岁。

随着速度的增加,物体的质量会增加。也就是说,一根筷子原本可能只有10克。

爱因斯坦为核能开发奠定了理论基础,开创了现代科学技术新纪元,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”。

如果当它达到0.99倍光速时,它的质量就大概会变为71克,是原来的7.1倍;

牛顿和爱因斯坦 奉行着不同的时空观!

如果当它达到0.999倍光速时,它的质量大概会变成224克,是原来的22.4倍;

牛顿一直奉行着绝对时空观。这种时空观 对于普通人来说特别熟悉,这种时空观基本上是凭感觉,凭常识得出了的。绝对时空观认为,空间就是空间,是平直的,均匀的分布在每一个地方。时间就是时间,均匀的流逝着,时间和空间没有半毛钱关系!这种绝对时空观也畸形出了以太(一种假想的 不存在的绝对静止参考系)。

如果当它达到0.9999倍光速时,它的质量大概会变成707克,是原来的70.7倍;

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所以,你发现没有,越是接近光速,质量就会变得越来越大。而我们给它加速的能量实际上也就需要越来越多,如果我们想把一根筷子加速到光速,这就意味着我们需要动用无穷大的能量,也就是说,全宇宙的能量都让我们用来加速这根筷子,都没办法把它加速到光速。当然,我们是不可能能够动用如此巨大的能量,因此,我们根本不无法把筷子加速到光速。

艾萨克·牛顿(1643.1.4-1727.3.31)

因此,根据相对论,我们可以知道物质、信息、能量的传递速度是不可能超过光速的。

爱因斯坦则认为,时间和空间是相互影响的。时间只是一种描述物质运动变化的特征,和物质的运动速度有着密切关系,一个物体的速度越快,质量就越大,则相对于速度较慢的参考系,时间就过的越慢。而空间并不是均匀的分布着,有质量的存在,周围的空间就是弯曲的,质量越大 ,弯曲程度就越大。

假设筷子真的到达光速

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虽然现实做不到,但我们不妨筷子真的到达光速,在不考虑现在物理学理论失效的情况下,那会筷子会击穿钢板吗?

阿尔伯特·爱因斯坦(1879.3.14-1955.4.18)

答案是,不仅可以击穿钢板,它可以摧毁整个太阳系。那为什么会是这样的呢?

牛顿和爱因斯坦对引力的解释不同

这其实还是要回到相对论上,根据相对论,当筷子达到光速时,实际上筷子所具有的质量是无限大的,这就是说它的动能是无限大。这就意味着,无论它撞到了谁,可以把对方直接摧毁,更不要说只是一块钢板了,所以当它一头撞上某个物体时,就可以仅仅依靠“撞”就摧毁对方。

牛顿认为物体之间都存在引力,这是不言而喻的规律,它们之间的引力大小 和质量成正比,和距离的二次方成反比。任何物体之间都遵循这样的定律。

在著名的科幻小说《三体》中,有个宇宙的清洁工:歌者文明。在他们的武器库中就有一个叫做质量点的。在小说中也有描述这个质量点就是极端接近光速的小体积物体,可以借助相对论效应的质量膨胀来摧毁恒星。这里其实就是基于爱因斯坦的相对论来描写的。而加速到光速的筷子是比小说中“质量点”更强的武器。

1916年爱因斯坦发表了《广义相对论》,是关于时空引力的理论。爱因斯坦认为 物体之间之所以存在引力,是因为一个物体的存在弯曲了周围的空间。太阳的质量很大,使得周围的空间扭曲程度相对于周围的行星大得多,迫使行星围绕自己公转。为了方便起见,可以这样理解,一条马路是弯折的,而路上的车辆沿着马路行驶 也必须是弯折的前行着。

所以,加速到光速筷子不仅仅是可以击穿钢板这么简单了,它可以摧毁大型天体。但根据相对论,实际上光速筷子是不可能制造出来的。

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太阳扭曲了周围的空间,紧紧的束缚了地球的运动

引力波的发现 更加验证了时空扭曲理论!

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在1916年 ,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。爱因斯坦在广义相对论中提出的,即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说,可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。

爱因斯坦认为 既然质量的存在会使空间弯曲,那么空间就应该会波动。

这就相当水的涟漪。平静的湖面有个物体游动势必会使水面产生涟漪。那么天体在空间的上的运动 势必也会产生涟漪般的波动,这就是引力的波动,简称引力波。这是爱因斯坦百年前的预言,现在终于得到了验证,世人再次被爱因斯坦所折服!!!

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两个天体彼此环绕运动 产生了显着的引力波

图片 10引力波动态图" style="width:60%;margin:1rem auto">

{"type":1,"value":"引力波的发现

1974年,拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯-泰勒脉冲双星。这双星系统在互相公转时,由于不断发射引力波而失去能量,因此逐渐相互靠近,这现象为引力波的存在提供了首个间接证据。

2016年2月11日,LIGO科学团队与处女座干涉仪团队共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果,其所探测到的引力波是源自于双黑洞并合。

2017年,莱纳·魏斯、巴里·巴利许与基普·索恩因成功探测到引力波,而获得诺贝尔物理学奖。

2017年10月16日,全球数十家科学机构联合宣布,从约1.3亿光年外,科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波,及其光学对应体。

牛顿力学依旧有用

尽管在严格意义上说,牛顿力学已经被爱因斯坦推翻。但为什么中学物理依旧学习牛顿呢?这不仅是因为便于学生理解,更深层的原因是 牛顿力学在宏观 低速的世界里 适用的很完美。而我们不就是处于 宏观 低速 的世界吗?爱因斯坦的相对论 不仅适用于 宏观低速的世界 也适用于 微观 高速的世界。所以说 牛顿力学是相对论的一个真子集(包含但不重合的关系) , 也可以认为牛顿力学是相对论在 宏观低速世界的 一种体现。

宏观低速世界里 相对论因子就不那么明显了!

到底,牛顿和爱因斯坦battle,谁的名气更大?

在2005世界物理年时,英国皇家学会曾就“谁是人类历史上最有影响力的科学家”进行了问卷调查。问卷结论显示,不管是英国皇家学会会员还是普通英国网民,都一致认为牛顿在科学贡献与人类进步发展史上的影响都超过了爱因斯坦。为此,英国皇家学会还发布了一个抢眼的新闻“Newton beats Einstein in polls of scientists and the public” ,并被多个国家的媒体转载。

但牛顿的名气真的大于爱因斯坦吗?

近日,Journal of Informetrics的一篇论文对两位科学巨匠的名气进行了比较。

该研究基于Google Books的3600万本可预览书籍图书和Google Scholar的9000万篇学术论文中科学家全名出现的词频,对爱因斯坦和牛顿这两位物理学大师的声望从实证上进行了分析。

研究显示,英国皇家学会的结论在英国有效,但在全球范围并非如此。作为英国人的牛顿,被英国出版书籍提及的频次一直高于爱因斯坦,而出生于德国后又加入美国国籍的爱因斯坦,则在德国及后期美国出版的书籍中被提及更多。这反映出科学家在自己国家或者共同语言的文化语境中具有更强的认同和影响力。

谷歌学术论文也告诉了人们一个类似的故事。在1918年到1948年之间的30多年里,牛顿和爱因斯坦在学术圈中被提及的次数不相上下。以1948年为分水岭,爱因斯坦开始占据上风至今。有趣的是,爱因斯坦声望超过牛顿的时间,在谷歌学术里比谷歌图书语料库中滞后了二十余年。如果我们有理由相信谷歌图书也包含了非学术的知识产出(比如小说、画报、教科书等等),这一差异也折射了学术圈内外科学家声望及演进速度的区别。

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文章来自科学认识论、知识分子,由环球物理整理,旨在分享,如有侵权联系删除。