谁将推倒物理学的殿堂?

2006-11-04 19:53 作者: 麦烧
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让我们回到16世界末17世纪初。

1590年,在象征权威高高在上的比萨斜塔上,伽利略让两个质量悬殊的铁球同时下落,结果两个铁球同时落地。在今天看来这是常识性的可预知的结果,但“两个铁球同时落地”的实验推翻了持续1900年的错误结论,被当作科学史上最著名的实验载入史册。

伽利略(Galilei)

1609年8月21日,在圣马可广场的钟楼上,伽利略展示了能将物体放大9倍的新天文望远镜。布鲁诺在罗马被施火刑后的短短几年,伽利略便向那些透过望远镜仰望天空的人们揭示这样一个事实: 月球表面坑坑洼洼,木星也有自己的卫星,地球没有任何与众不同,最重要的是——它在一个运动体系中看似静止,这可能恰恰说明它自身也在运动。

两个铁球和一台望远镜彻底颠覆了盛行2000多年的亚里士多德科学的统治地位,现代科学就这样在圣马可广场的钟楼上诞生了。

 教堂的壁画记录了伽利略的伟大发现

借助这些观察结果,伽利略总结出物理学的奠基理论——相对性原理,并在23年后的著作《关于世界两大体系的对话》中将它形式化。

现在让我们用一个暧昧的例子形象化地阐述一下相对性原理。

舞池旋转,琴瑟相宜,你的舞伴是你最喜欢的女人或者如果她还未出现的话,可以让丽芙·泰勒充当你的临时舞伴。这是一个裙摆摇曳、活色生香的夜晚。这个夜晚隐藏了相对性原理的两个含义。

丽芙·泰勒(Liv Tyler)

1 与你喜欢的人共度良宵,你会感到时光飞逝。对于世界上的其他人来说,他们度过了普通的24小时,对于你来说,美妙时间是如此短暂,你希望第二天晚些来临。与此相对应的原理: 一个物理现象的表现并不取决于它的时刻(良宵),而取决于它的参考系(你);

2 当你和你喜欢的人进展顺利并决定终守一生踏上蜜月之旅的时候,你们搭乘某架飞机,这时相对于地面物体来说,你们是运动的,相对于飞机上的人来说,你们却是静止的。与此相应的原理: 一个物理现象的表现并不取决于它的位置,同样也不取决于物体的运动(飞机),而取决于参考系的位置和运动(你和你的女友)。

这位意大利学者的理论非常简单,却是那么丰富——运动、方向、时刻和位置都是相对的概念,在建立描述自然现象的理论时无需将它们考虑在内。

牛顿把它用作惯性理论和万有引力理论的基础;爱因斯坦的狭义相对论不过就是对伽利略理论的精确描述;而广义相对论和量子力学在对这个世界描述中又再次呈现相对性原理的另一个面貌。

物理学的主干就是这样坚实地成长在伽利略的理论中,而以后的科学家终于让这颗大树枝繁叶茂。

不过,两个分枝的成长让这颗大树的建设者们陷入前所未有的困境。

20世纪初,量子力学和广义相对论几乎同时诞生。它们一个是对微观世界的详尽描述,一个是有关引力和天体世界的描述。这两个理论至今仍然被视为物理殿堂的两大支柱。

但它们的弱点也不再是秘密: 就像两个前世冤家,两种理论对世界的描述无法吻合,更糟高的是,当它们面对某些敏感话题例如大爆炸或者黑洞理论,它们竟公然对立。

80年来,物理学家们反复思考、修正并拓展爱因斯坦的观点,为的是打造一个更好的新理论,以包容甚至超越这两个无法调和的理论。

到今天为止,我们已经拥有几种候选理论,而麻烦的是每一位候选者都无比复杂,而且,我们到现在也不能确定它们之中是否真正存在这个一统天下的王者。

“质疑”让物理学从亚里士多德时代进入伽利略时代,“质疑”让物理成为今天我们所看到的物理。现在,一些物理学家又开始质疑,矛头指向现代物理学的根基——伽利略相对性原理。

如果空间确实存在一定的方向性,光速因此而产生略微的不同,而我们可能并未察觉这些变化。这样的如果是否成立?

实验物理学家开始行动。

在美国工作的英国物理学家阿兰·考斯泰勒基向整个物理学界提出了他的疑问。他经过几年的研究,建立了一个模型可以系统地深入研究狭义相对论的方方面面,并揭示原始的错误——如果这个错误真的存在的话。

从西雅图到中国台湾,还有杜塞尔多夫、珀思和巴黎,数十名实验物理学家用不同的理论或者不同的工具——从大型粒子物理中心到小型实验室——也在同时进行他们的实验和尝试,这一切都只为了一个目的: 找到错误。让物质说话,使它承认,时空并非如伽利略或者爱因斯坦所想的那样完美。

但目前,没有任何人找到让所有科学家满意的发现。

到底是谁的错误?伽利略、爱因斯坦还是考斯泰勒?物理学家们仍在泥沼中艰辛前行,也许有一天,一切都将豁然开朗。

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