问题

物理定律是不是永恒不变的?

回答
物理定律是不是永恒不变的?这可真是一个引人入胜又深邃的问题,就像仰望星空,总觉得 هناك (huna – 在阿拉伯语中意为“这里”,在这里借用为一种感叹,暗示着无尽的未知和深沉的思考) 一种宏伟而神秘的力量在支配着一切。

要回答这个问题,我们得先理解什么是“物理定律”。简单来说,它们是我们观察和描述宇宙运行方式的规则。比如牛顿的万有引力定律告诉我们,任何两个有质量的物体都会相互吸引;热力学定律则界定了能量的流动和转化。这些定律之所以被称为“定律”,是因为它们在无数次的实验和观察中都得到了证实,而且看起来似乎在宇宙的每一个角落都适用。

但“永恒不变”这个词,就带给我们更深的思考了。

从我们目前的认识来看,物理定律似乎是相当“稳固”的。 科学家的工作很大程度上就是不断地去验证和细化这些定律,而不是试图去颠覆它们。当你从实验室里走出来,看着天上的太阳升起又落下,感受着脚下的大地不会突然飞走,你就会觉得这些基本规则是如此的坚实可靠。科学家们用这些定律来预测天体的运行轨迹,设计精密的仪器,甚至理解我们身体内部的运作机制。如果定律朝令夕改,那科学研究也就无从谈起,一切都会变成混乱的猜测。

然而,历史的经验告诉我们,我们对宇宙的认识是在不断深化和修正的。 曾经,我们认为普朗克的量子理论和爱因斯坦的相对论是完全独立的两个分支,各自描述着微观世界和宏观世界。但现在,科学家们正努力地想把它们统一起来,形成一个更全面、更根本的理论。这不代表旧的定律错了,而是说它们可能是更宏大理论在特定条件下的近似。

你可以想象一下,牛顿的万有引力定律对于我们日常生活中测量物体重量、计算行星轨道来说,依然是无比精确和实用的。但当我们研究黑洞内部或者宇宙大爆炸的早期,情况就变得复杂了,这时候爱因斯坦的广义相对论就显示出了它的优越性。广义相对论并没有否定牛顿定律,而是将其包含了进来,成为牛顿定律在低速、弱引力情况下的一个特例。

所以,更准确的说法可能是,我们目前发现的物理定律,是在特定的观察范围和条件下非常精确有效的描述。但随着我们观测能力的提升、实验手段的进步,我们可能会发现它们是更深层、更普遍定律的“表象”或“近似”。

想想看,在人类文明的早期,人们观察到的“自然规律”可能和我们现在理解的完全不同。随着科学的发展,我们淘汰了一些不准确的理论,建立起更符合现实的模型。这个过程本身就说明了,我们对“定律”的理解也在“进化”。

而且,我们还没有完全理解宇宙的终极奥秘。比如暗物质和暗能量占据了宇宙的大部分,我们对它们的性质知之甚少,它们的存在是否会挑战我们现有的物理定律,或者需要我们去建立全新的定律来解释?我们也不知道宇宙的边界在哪里,或者宇宙之外是什么。万一在宇宙的某个遥远角落,或者在非常极端的条件下,物理定律的表现方式和我们所知的有所不同呢?这虽然是纯粹的猜测,但科学的魅力就在于它不回避这些未知。

所以,“永恒不变”这个词,在科学语境下,可能更多地是指那些被反复验证、具有普适性的基本原理,而不是说它们就永远不会被更深层的规律所取代或包含。 我们正在做的,是用越来越精细的工具去探索这些基本原理的边界,去寻找那些更深层、更根本的“真理”。这个探索的过程,本身就是对物理定律“不变性”的持续检验和深化的过程。

总而言之,物理定律是我们认识宇宙的基石,在它们被证伪之前,我们都相信它们是准确的。但科学的本质是不断追问和探索,我们总会站在前人的肩膀上,去发现新的视角和更深刻的理解。所以,与其说物理定律是永恒不变的绝对真理,不如说它们是我们目前为止最接近宇宙运行本质的,并且正在被不断完善和拓展的认知框架。这才是科学令人着迷的地方——它永远在路上,永远在等待我们去发现新的未知。

网友意见

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两个问题,一个一个说:

一、物理定律是不是永恒不变的?

当然不是,物理定律不是真理,无法证明,只是人类从实验结果里总结归纳的理论,并且在一定范围内得到了验证。

比如牛顿第二定律F=ma,在牛顿时期的测量条件下就是准确的(当然,今天我们日常用用也没问题),但相对论提出后,质量m不再固定,而是随运动速度而变化。静止时保持原样,速度越接近光速,质量越接近无穷大:

所以F=ma不再适用于高速运动的物体,必须使用相对论加以修正。

但是这说明了牛顿错误,爱因斯坦正确吗?并不是。当物体速度比光速小四五个数量级,比如你推箱子或踢足球时,用牛顿定律足够了。

因为牛顿运动定律能够解释并精确计算相对论诞生之前所有低速物体的运动情况,所以,相对论也必须能解释并精确计算这些运动情况,顺便把牛顿不适用的高速运动一并修正过来。

如果以后相对论力学公式也被证明有误,新的理论取代了它,这个新理论必须得保证:

  1. 相对论和实验结果不一致时,新理论要和实验结果一致;
  2. 相对论和实验结果一致时,新理论要和它们俩都一致。

所以相对论是无法彻底推翻的,因为它经过了几十年、无数实验直接和间接的验证,始终符合实验结果。而且每颗星体轨迹的预测、每个航天器发射的成功,都从侧面佐证了它的正确性。

新理论只能扩展相对论的应用范围,变成一个更为普适的理论。而让相对论成为它在某个特殊情况下(宏观、真空光速恒定为29979246m/s)的近似理论。

就像经典力学公式是相对论力学在低速情况下的近似一样。

二、物理定律会随时空变化吗?

这是个好问题,因为迄今为止几乎所有的物理实验都是在地球上做的,而且大部分是最近一百多年里做的。就算我们能看到几百万光年外的宇宙,也只能“观测、推论、验证”三步走,而没法施加影响、修改实验条件。

所以科学家对于把地球上的物理学推向全宇宙这回事还是心里挺没底的。

早在上世纪30年代,狄拉克就提出大数假说,即万有引力常数G随时间推移而变化。限于当时对宇宙结构和动态的认知,这个假说的结论有很多错漏之处,但它给了人们很多启发。

后来物理学家又盯上了描述基本粒子时使用的精细结构常数。有人通过测量遥远天体的光谱发现,那里的精细结构常数与地球有可测量的差异(百万分之一级别)。由于此常数与真空光速有关联,有可能会推出真空光速在宇宙尺度上的不均匀,所以轰动一时,媒体又开始宣传“相对论被推翻”。但这结果还需要大量实验的验证,目前下结论为时过早。

另外,几乎所有物理常数都会随时间而变化,但尺度极小(往往小于级别),估计在我们冲出太阳系之前,万有引力常数的变化还不足以让飞船跑错轨道。

可能你发觉了一个问题:上面说的全是“物理常数”的变化,而非定律的变化。没错,物理定律的变化一般需要这三步:

  1. 发现大量与理论不符的实验结果;
  2. 修正理论,或提出新理论;
  3. 验证理论是否符合实验结果。

其中第2、3步可能反复多次,持续数年到数十年。

至于题目中询问物理定律是如何变化的,只能说,如果变化有规律,那这个规律就是新的物理定律本身。

现在就预言物理定律是否能随时空而变化?古板的人会说“不能”,想象力丰富的人会说“一定能”,谨慎的科学家会说“至今未观测到但不排除”,至于科幻小说作家,他们早就换来稿费买酒喝了。

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