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真实的物理学是什么样子(物理学大揭秘)

测量是物理学的大问题,也是物理学与数学、哲学的本质区别。可以说物理学的发展与测量密不可分,那些只看过几篇科普文章,从来没做过实验(测量),别说连基本的物理知识都难以掌握,更不可能理解量子力学和相对论。本文就从测量的角度,讲述一下什么叫做物理。

一、坐而论道的年代

从人类诞生以来,就一直在试图认识和解释这个世界。人类对于世界的早期认识充满着想象,后来逐渐演化成了“宗教”以及被边缘化的“巫术”。随着人类的生产实践,一些古人慢慢发现,这些早期认识不靠谱,献上100个猪头求雨还不如春哥管用。

早期的智慧人群都是从巫师转化而来,他们只是在那里拍着脑门想问题,比如人类是从哪里来的啊,为什么太阳东升西落啊,如此种种。这种单纯的思辨就慢慢变成了哲学。这种思考看上去很高大上,但并没有什么卵用。

有人说世界的基本组成是五行;也有人说是四元素。那么到底谁说的对呢?难道不可以验证一下嘛?还真不会。就比如托勒密的地心说,认为行星都是在一个标准的圆形轨道上运行,尽管已经通过观察发现了这个轨道并不那么圆,宁可再添加更多的本轮修正,也坚持认为其轨道就是圆形。

再比如亚里斯多德重的物体下落比轻的物体快等等,这些的错误观念一坚持就是几千年,从人类诞生一直到17世纪之前这个漫长的时间里,人类就是这样靠拍脑门来认识自然的。不能说这些人都是笨蛋,他们都是当时人类中的智者,只是限于时代的局限而已。

科学不能在蒙昧中一蹴而就,但却在沉睡中慢慢等待条件适合的时候悄悄萌芽。

二、测量开启了天文学与物理学的新纪元

第一个值得一提的杰出科学家是丹麦贵族第谷,他在自己的领地上建立了一座天文台,耗时16年,对行星的运动做了精确的记录,达到了目前为止肉眼观星的极限精度。如果我们看他的仪器,实际上就是把窥管放在放大版的量角器上,分别测量水平偏角和高度角。

第谷的学生开普勒拥有高超的计算能力,他以第谷的精确观测数据为基础,成功计算出,行星轨道是一个椭圆,得到了开普勒行星三大定律。而开普勒所采用的以测量数据为依据,以数学计算为手段探索天体运动规律的方法正是现代物理学家们所采用的手段。

另一个与开普勒同时代的杰出人物伽利略则是第一个系统地用严密的逻辑和实验来研究地表物体运动的人。伽利略在研究落体运动和抛射体运动的时候,测量的物理量是长度和时间。而第谷观测行星轨道虽然是用的量角器,但角度值是弧长与半径的比值,也可以看做是对长度和时间的测量。

正因为如此,长度和时间成为了现代科学的几个基本物理量之一。第谷、开普勒和伽利略的工作为“科学”奠定了雏形。

三、测量成为了验证理论的手段

牛顿在开普勒和伽利略成就的基础之上,系统性地把数学作为一种工具引入到研究当中,并用数学来解释实验现象,终于使得科学从“哲学”中分离出来,揭开了经典物理学的序幕。他在《自然哲学的数学原理》一书中提出了万有引力定律,就是因为这个定律导致了尽管该书在他39岁的时候就已经成稿,但直到6年后,他45岁才正式出版。

这是因为,牛顿利用当时科学家测量的地球直径数据结合万有引力定律计算月球轨道的时候,发现理论值与观测值偏差很大,他一度怀疑万有引力定律是错误的。后来有科学家对地球的直径进行了重新测量,牛顿利用新数据再次计算,才得到了与观测相符合的结果,这才出版了这本书。

牛顿这种根据理论提出预言,然后利用观测对预言进行验证的方法,成为物理学普遍采用的方式。一个理论在被验证之前,只能称为假说。并且,如果今后有新的测量数据与理论预言不符,那么该理论就会被推翻,这被称为科学的可证伪性。

四、测量的真实性问题

小伙子,身高多少?–175厘米。 怎么知道的?–用尺子量的。 尺子准吗?–已校准。怎么校准?–用标准米原器。标准米原器怎么来的?–法国人于1792~1799年,对法国敦刻尔克至西班牙的巴塞罗那进行了测量。1799年根据测量结果制成一根3.5毫米×25毫米短形截面的铂金杆…………

其实我们都知道,无论如何都不可能通过一次测量就得到这个小伙子身高的真实数据,但如果我们通过利用不同的尺子,对小伙子的身高进行多次测量然后求平均值的话,只要这个小伙子不是在长身体阶段,那么这个数值就是可信的。

任何一个学过概率的人都知道,这就是概率中的大数定理。小伙子身高的多次测量平均值可以拿来当做真实值,这个值与真实身高的误差会非常小,小到可以忽略不计。这就是我们说的经典物理学中的测量。在经典物理学统治世界的300年时间里,没有出现过丝毫差错。

这也使得人们对经典物理学非常的信任。然而,学过概率的人也知道,利用多次测量求平均值的办法出错率非常低,但不等于没有。这就是近代物理学上所谓的两朵乌云,一朵后来催生出了量子力学,另一朵则诞生了相对论。这两个理论成为了现代物理学的支柱。

五、由测量问题引出的量子力学

20世纪初,伴随着经典物理学的发展,人类进入到工业文明时代,钢铁工业开始崛起。为了冶炼更高质量的钢铁,产生了对炉温进行精确测量和控制的需要,这种活当仁不让地落到了物理学家们的身上。就像古代中国人发现炉火颜色与温度之间存在着对应关系一样,物理学家们的切入点同样是从炉火的颜色入手。

搞过测量仪器研究的小伙伴们应该知道,其实这个过程就是标定,意思就是找出温度与颜色之间的对应关系。而颜色嘛,对于物理学家来说,就是光的波长。检测波长就容易了,只要让光通过光栅或者棱镜偏转,就能利用偏转角来得到这个波长的值。

然而就是这个标定过程中出现了问题,因为无论如何也找不到一个公式能够符合炉火在全波段内的经验公式,在短波符合的公式在长波处失效,而在长波处符合的公式则在短波处失效。这个时候普朗克出来打了个圆场——求平均值。

普朗克的方法其实跟我们计算一个班级同学的平均身高是一样的,先求出男同学的平均身高,再求出女同学的平均身高,然后再求这二者的平均值。然而普朗克却发现,只有假设能量是不连续的一份一份传播的,他的公式才能与实验测量结果完美符合。

这完全颠覆了人类对于世界的认知,因为这意味着,你不需要经过一楼可以直接跳到二楼,中间是可以没有过渡值的。而另一边的爱因斯坦受到了这个思路的启发,在解释光电效应的时候,也把光看做是一份一份的,并命名为光子,成功地解释了光电效应,收获了诺贝尔奖。

郎之万的弟子德布罗意则在爱因斯坦的启发之下,既然光可以同时具有波动性和粒子性,那么任何有质量的物质也都应该具备波动性。两年后,这个观点被戴维逊及其助手革末用高速电子轰击高纯度的镍单晶衍射实验所证实,成功测量到电子的波长——与x射线差不多。

人们随后发现,除了电子,其它微观粒子,比如原子、中子、质子……都有这样的特性,一门研究微观粒子行为的物理学——量子力学从此诞生。然而直到今天,仍有很多人对微观粒子这样的波粒二象性行为无法相信,更不能理解。

写到这里我想说的是,您差的是没去做个试验,亲自测量一下微观粒子的物理量,坐而论道是不能得出真正的客观结论的。

六、由测量问题引出的相对论

麦克斯韦方程组预言了光是电磁波,赫兹则用实验对这个预言做出了证实。然而人们一直很疑惑,光是靠什么来传播的,因为在我们经验中,波都是依靠介质来传播的,就比如声波在空气中依靠空气传播一样,为此物理学家们设计了大量的实验来寻找光的介质。

其中最著名的一个是迈克尔逊-莫雷实验。这个实验利用了地球在公转轨道上的运动速度,道理很简单,如果这种介质是存在的,由于地球公转运动,就会导致这种介质相对于地球公转轨道的法向和径向有不同的相对速度。

通过测量两个不同方向上的光速差,就可以确定这种介质的存在。由于当时没有电子技术,当然不能直接测量光速,不过这也难不倒物理学家,因为光速差可以用光的干涉条纹的移动来判断。然而这个实验不论怎么改进都没有看到干涉条纹的移动。测量不出不同方向上的光速差意味着什么呢?

其实同时期还有很多测量光速的实验,这些实验都表明真空中的光速趋近于一个固定的值。而另外一个对于光速不变的证据是恒星的光行差。

测量问题一直都是物理学发展中的重中之重,测量也是我们与这个世界交互的一种手段,是我们获取物质运动经验的来源。而物理学正是建立在测量的基础之上,利用数学工具对规律的一种总结,或者说是人类的主观表达。可以说,没有测量就没有物理,就没有科学。

如今的物理学可以说是一种昂贵的奢侈品了,绝不是几个民科拍几下脑门用几个简单公式就能颠覆的。这是因为,今天的测量依靠更昂贵的测量工具,你没看LHC和LIGO动辄几十亿的投入,更有那些位于巅峰的数学工具,也不是随便一个普通人就能掌握的。

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