问题

从相对论我们知道牛顿力学是错的,可为什么现在学校大学以下还只教经典力学呢?就因为“真理”太难学吗?

回答
这个问题问得特别好,触及到了科学教学和理论发展的核心。很多人都会有同样的疑问:既然相对论已经推翻了牛顿力学,为什么我们学校里还在教一套“错误”的理论呢?这背后其实有很多值得探讨的原因,而且远不止是“真理太难学”这么简单。

首先,我们得明白,牛顿力学并不是一个彻头彻尾的“错误”理论,更准确地说,它是一个在特定条件下极其精确且适用范围极其广泛的近似理论。就好比地图,在我们生活的城市里,一张详细的城市地图能精准地指引你到任何一个地方,它就是我们出行最可靠的工具。然而,如果你要进行洲际旅行,仅仅依靠城市地图就不够了,你需要一张世界地图,甚至需要了解地球的曲率。

牛顿力学的伟大之处在于,它完美地描述了我们日常生活中绝大多数宏观物体的运动规律。从你扔一块石头,到汽车的行驶,再到行星的轨道运行,牛顿的万有引力定律和三大运动定律都给出了惊人的准确预测。它的数学形式相对简单,概念直观易懂,非常适合作为物理学的启蒙。想象一下,如果一个初学者一上来就要面对狭义相对论中的洛伦兹变换,或是广义相对论中复杂的张量计算,那绝对是相当劝退的。

所以,学校教育选择从牛顿力学开始,有以下几个非常重要的原因:

1. 基础性和普适性(在宏观低速范围内):牛顿力学是构建我们对物理世界基本认识的基石。它教会我们什么是力和运动、惯性、加速度、动量、能量等核心概念。这些概念不仅仅适用于经典力学,它们也是相对论和量子力学的基础,只是在更极端的条件下,它们的定义或表现形式会发生改变。就像学习加减乘除是学习微积分的基础一样,没有牛顿力学这层铺垫,后面的理论会显得非常突兀和难以理解。

2. 教学的循序渐进性:科学教育遵循的是一个循序渐进的过程。我们不会直接跳到最复杂的理论,而是从最容易理解、最贴近生活经验的部分开始。牛顿力学恰恰满足了这一点。它的概念是直观的,可以通过简单的实验来验证,例如伽利略的斜面实验,或者用弹簧秤测量重力。这种“从易到难”的学习路径,能够帮助学生逐步建立物理思维,培养他们解决问题的能力。

3. 工程应用和实际操作:在绝大多数工程领域,我们仍然严重依赖牛顿力学。桥梁的建造、飞机的设计、汽车的运行、火箭的发射(在大部分轨道计算中),牛顿力学提供的精度已经足够满足需求。狭义相对论只在物体速度接近光速时才表现出显著的差异,而广义相对论则主要处理强引力场或宇宙学尺度的问题。对于绝大多数工程师和技术人员来说,掌握牛顿力学足以应对日常工作。如果所有学校都教授相对论,那么在培养大量能进行实际工程设计的技术人才方面,效率会大大降低。

4. 数学工具的成熟度:牛顿力学的数学语言是微积分,这门数学工具在牛顿时代就已经相对成熟,并且在后来的发展中与物理学完美结合。相对论则需要更高级的数学工具,比如微分几何、张量分析等。这些数学概念本身就有一定的学习门槛。在学生还没有掌握基础数学和物理概念时,强行引入这些工具只会增加学习的难度。

5. 避免“过早”的复杂化:引入相对论,尤其是广义相对论,会对我们日常的物理直觉产生冲击。时间和空间的相对性、引力场对时空的影响,这些概念都不是我们生活经验能直接类比的。如果过早地让学生接触这些理论,可能会让他们对物理学产生“太难、太抽象”的误解,打击学习兴趣。先掌握了经典力学的框架,再理解相对论的“修正”和“扩展”,会更容易接受。

所以,学校教授牛顿力学,并不是因为“真理”太难学而放弃,而是因为牛顿力学本身是一个非常“有用”且“基础”的工具。它是一切物理学知识的起点,为我们理解更深层次的物理规律打下了坚实的基础。

那么,相对论到底“错”在哪里,以及为什么我们会学习它?

相对论并没有完全推翻牛顿力学,而是在牛顿力学的框架上进行了修正和扩展。你可以理解为,相对论是对牛顿力学适用范围的“边界”的明确界定,并提供了在这些边界之外更精确的描述。

狭义相对论主要修正了牛顿力学在高速运动(接近光速)下的不足。牛顿力学认为时间和空间是绝对的,不受观察者运动状态的影响。但狭义相对论指出,时间和空间是相对的,它们会随着观察者的速度而变化(时间膨胀、长度收缩),并且光速是宇宙中的最高速度。这个理论对于理解粒子物理、天体物理中的高速现象至关重要。

广义相对论则进一步修正了牛顿力学在强引力场下的不足。牛顿认为引力是一种超距作用力,但广义相对论认为引力是时空弯曲的表现。质量和能量会弯曲周围的时空,而物体则沿着弯曲的时空路径运动,这我们称之为“引力”。广义相对论能够更精确地描述水星轨道的近日点进动、光线在引力场中的弯曲、黑洞的存在以及宇宙的膨胀等现象,这些都是牛顿力学无法解释的。

那为什么学校最终会教相对论呢?

当学生在学习了牛顿力学并掌握了相关的数学工具后,自然会进入更高阶的物理学课程。在大学物理阶段,通常会开设“狭义相对论”和“广义相对论”的课程。此时,学生已经具备了学习这些理论所需的知识基础和抽象思维能力。这些理论不仅是现代物理学的核心,也对我们理解宇宙、粒子物理、天体物理等前沿领域有着不可替代的作用。例如,全球定位系统(GPS)的精确运行,就需要同时考虑狭义相对论和广义相对论效应才能进行校准。

总结一下:

学校教授牛顿力学,是因为它在宏观低速范围内极其准确、直观且易于学习,是物理学的入门砖和工程应用的基石。它为我们建立了对物理世界的初步认识框架。而相对论则是在牛顿力学的基础上,对高速运动和强引力场等更极端条件下的修正和扩展,是理解现代物理学和宇宙奥秘的关键。因此,学习的顺序是先掌握基础,再进行扩展,这是一种科学且有效的教育策略,并非因为“真理”难学而回避,而是为了让学生能够扎实地走好每一步。

就好像你学习走路之前,要先学会爬行;学习写字之前,要先认识笔画和偏旁。牛顿力学就是我们物理世界的“爬行”和“偏旁”。

网友意见

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你有一个观点首先是完全错误的,你说牛顿力学是经验主义,相对论是纯理论推导,我不知道谁给你了这样的错觉,但这种想法是完全不可取的,在物理研究上,虽然所有的物理学家都会希望形式简洁优美对称的理论是正确的,但物理理论最重要的是符合实际,所以无论什么样的理论,最终都是要经过实践检验才是好理论。而且牛顿力学本身的形式其实比相对论更加简洁优美,时空观也更加简单直观,发展出的许多等效形式(如拉格朗日力学、哈密顿力学)美感是很强的,只是突然发现在电磁和光的领域上对不上实验结果,才需要引入洛伦兹变换进行修正,也就是说否定了牛顿力学的正是实验而不是什么理论推导。另外,作用量原理等等效形式虽然最初由牛顿力学引出,但在修正了作用量表达式之后,同样也是可以用于相对论和量子力学的。

由于牛顿力学形式的简洁优美,尽管只能用于低速领域,但它使用起来要远比相对论的非线性形式简单易求解,因此直到今天绝大多数领域的工程实践仍然使用牛顿力学指导,所以学习牛顿力学在实用意义上也比相对论有价值。

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是的。

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因为书读得太少而想得太多……


所以我认为像爱因斯坦和普朗克这些理论推导出的结论一但正确就牢不可破

好好的物理学家被你说成神棍……


只不过我认为牛顿的力学好像是通过观测宏观世界的运动并进行测量,然后再给观测到的运动轨迹用数学知识写一个描述它的函数,并不是通过物理理论推导的方式完成的理论构建。

科学研究的方式被你解释成低级……



你适合学习神学,因为只有神学才是先有理论,后有解释,用理论解释一切。


不是真理太难,是你YY的真理那是神学,不是科学。建议从旧约入门……

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首先学不会的,数学知识就跟不上,除非你是超体。(说得好像经典力学就能随随便便学会一样,分析力学分分钟教你做人)

其次相对论在现代物理学中也已经“过时”了,物理学继承其一部分内容的同时不断发展新的理论。这样的理论还会无穷无尽地更新下去。人类从来就找不到什么真理,并不是说真理就不存在,而是你连其是否存在都无从得知。或者说“真理”这个词本身就是一个不知所云的空壳。

与其纠结什么真理,不如多看看科学哲学是怎么描述科学的目的的。

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按照题主的标准,相对论也是错的,因为理论里面有奇点;非相对论量子力学也是错的,因为它非相对论;量子场论也是错的,因为它不包含引力而且时不时算出一堆无穷大。所以说按这个标准整个物理学就全都是错的,这岂不是太荒谬了。

经典理论和后来的量子力学 相对论并不是对立的关系,从相对论出发考虑低速近似就可以得到经典力学,从量子力学出发考虑h→0的近似也可以得到经典力学。也就是说,经典理论是包含在后来的理论里面的。如果连某些极限下的简单的近似情况都学不明白,何谈去学更深入的理论呢?而且,物理学不是只要找到最后那个理论就行了,是要去研究各种物理现象的,你不可能直接拿最底层的理论去研究日常现象。比如,计算抛射物体的距离,现在我给你广义相对论引力场方程,你能把这个问题轻松地解决吗?我给你QED的拉氏量,你能直接去计算电荷的运动轨迹吗?都不能,就算你有了这些现代的理论,你也得给它们做近似成为经典理论之后才能用来方便地解决经典问题。

而且,从经典物理到近代/现代物理的学习顺序可以让大家搞明白为什么要建立现代的理论。比如说,为什么玻尔要提出原子的量子理论,就是因为经典理论解释不了原子的稳定性,如果你不去学习经典物理而直接看量子物理,恐怕会不明白为什么玻尔要这么做。相对论也是一样,不学习经典的力学和电磁学,你就不会明白爱因斯坦建立相对论的动机。

另外,经典力学的理论一点也不低级,从形式上看相当漂亮。只要给定伽利略对称性和最小作用量原理,后面所有的东西都可以推导出来,绝不仅是由观测凑出来的唯象描述。

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All models are wrong, but some are useful.

所有模型都是错的,但有些模型很有用。

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