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问答:思想实验和物理实验有什么区别?

问答:思想实验和物理实验有什么区别?

作者: b4c3eecc1b51 | 来源:发表于2018-12-09 18:29 被阅读23次

读者 Core Duo:

如果引力不是力,那为什么还有所谓的电磁力、强作用力、弱作用力、引力这4种基本力呢?还要寻找所谓的大一统理论将它们统一呢?

读者 闲淡山人、星行醒幸、勇气果子:

如果引力是个幻觉,那么物理学的四个基本力:强核力,弱核力,电磁力,引力都是幻觉吗?

读者 Sophie:

广义相对论和M理论PK哪个更胜一筹?

万维钢

广义相对论认为引力并不是一种“力”,但这只是广义相对论的看法。如果有一个物理学家非得认为引力也是一种力,那的确,从逻辑上来说,引力应该跟其他三种力统一起来。

现在情况是其他三种力已经被统一起来了,这个理论叫“大统一理论”,GUT(Grand Unification Theory),而其中不包括引力。

直观地说,电磁力、强相互作用、弱相互作用这三种力,都可以用某种*粒子*的“交换”来解释。比如说,宏观下我们说电磁场,但是在微观下,你可以说电子和质子之间的这个电磁力,其实是通过它们互相交换“光子”来实现的。是有一个光子,从这边跑到了那边,传递了这个力。

类似地,强相互作用有“胶子”,弱相互作用有“W和Z玻色子”负责传递。这些负责传递力的粒子,是客观存在的,在实验中都可以被发现。你不管是在哪个坐标系下看,它们都存在。

换到宏观,电磁场也是客观存在的,不管你在什么坐标系下看,电磁场只会变化,不会消失。而引力却可以在加速坐标系下消失。

引力是真的不一样。物理学家曾经试图用“引力子”来解释引力的传递。从数学上来说,这涉及到把引力场给“量子化” —— 这是一套数学方法,但是,这个方法只在引力比较弱的时候才适用。所以引力子就算在理论上都可能是不存在的,更不用说没有任何实验证据表明引力子存在。

所以那三种相互作用*真不是*幻觉,引力*可以是*幻觉。

那既然引力可以不是力,为啥还要追求一个“统一理论”呢?这是因为广义相对论和量子力学存在根本性的矛盾。广义相对论认为时空是连续可分的,是实数的;而量子力学认为时空存在一个最小的尺度 —— 也就是“普朗克长度”和我们精英日课曾经用过的“1043”:“普朗克时间” —— 时空应该是有理数的,甚至如果你愿意的话可以用整数描写。

M 理论是统一量子力学和引力的一个尝试。在数学上,目前看来它似乎是可行的。但是 M 理论还谈不到能跟广义相对论 pk 的程度 —— 广义相对论已经得到了千锤百炼的观测验证,而 M 理论还没有任何实验验证。你可以说 M 理论是数学家的一个游戏。

读者 轸念:

相对论中的断言也就是基本假设(光速不变,在局部引力和加速运动无法区分)这些我们只能接受不能问为什么的结论。它们会不会是一个更大的理论,在某种情况下的近似的结果呢?如果有一天我们有了一个解释力更强的理论之后,能不能把相对论也纳入其中呢?

万维钢

从逻辑来说,我们最希望能有一个“终极的理论”,它的基本假设是如此的简单,以至于无需置疑,却能从中推导出一切物理定律,能够回答一切为什么。这样我们就能获得内心的平安。这也正是所谓“第一性原理”的思路。

但目前来说,物理学未来的图景将不会是这样的。我们专栏以前有一期叫《一个让人寝食难安的世界观》,讲了“微调”问题。现实是我们这个宇宙的物理学中包含至少19个参数,是没有办法从第一性原理出发给解释的。

也就是说,我们不但不知道光速为什么不变,而且不知道质子为什么不衰变,精细结构常数为什么是1/137。

物理学家对此最好的答案是,根据 M 理论,我们这个宇宙的参数只不过*恰好*是这样的。M 理论允许很多种不同的参数组合,理论上存在着无数个各种不同参数的宇宙。也许有的宇宙里光速可以变,有的宇宙里精细结构常数等于35,有的宇宙里没有稳定的质子。我们只不过恰好生活在这个宇宙里。

这就好比说,你可能想问,为什么我们这帮人都说中文这种语言呢?是不是因为这是宇宙中最美丽的语言?是不是有一个统一理论能推导出来,人这个东西一定是说中文的?答案是别的语言也有人说,我们只不过恰好生在中国、就说了中文。

我认为这个解释也能提供内心的平安。

读者 少壮派:

总是听到*思想实验*这个词,到底和物理实验有哪些区别?是不是现有的物理实验已不具备相对论的验证条件?爱因斯坦只能通过数学和逻辑在脑海中推导的这些结论吗?

万维钢

有些思想实验确实是不方便真做,只能在脑子里想一想。但是我们使用思想实验的根本原因,在于人们对实验结果不会有任何质疑 —— 我们都知道实验结果会是那样的,现在争论的焦点在于怎么*解读*这个结果。

宇宙飞船也好、电梯也好,我们这么说一说你就能明白,没必要真的花钱弄一个。物理学家对上面会发生什么很有信心。

哲学家一般没有做实验的科研经费,所以是尤其喜爱思想实验:)比如哲学家特别喜欢设想下面这样的场景 ——

从前有个铁轨,五个孩子正在铁轨上玩耍,与此同时一辆火车正在飞奔而来,眼看就要撞到孩子们。铁轨上面有个桥,桥上坐着一个胖子。请问你愿不愿意把胖子推下桥,用他一个人的命换五个孩子的命呢?

这种实验就只能在思想中进行。

不过,哲学家要小心啊,这毕竟不是物理学。做思想实验的时候,很多受试者都说他们会推胖子。可是后来有人在实验室真把这个场景给弄出来了 —— 当然不是用人,用的是小兔子。结果面对鲜活的生命,那些受试者手软了。

来自日课:爱因斯坦不可能这么幸运

读者 老欢:

我女儿上初三,住校,不能带手机,所以我会挑选打印精英日课或得到课程内容给她阅读补充。昨天带给她一份《为什么佛学是真的》。我担心她看了相对论后,会不会对她的日常物理学习造成风中凌乱的感觉呢?

读者 郭强:

万老师,你会告诉你的孩子老师讲的“万有引力”是错的吗?最近跟着万老师学习相对论,感觉相对论的核心内容本质上不难理解,难的是我们对经典物理学根深蒂固的全盘接受。如果中学老师就讲相对论里关于“引力”的解释,学生们未必就听不懂。

万维钢

在学习中风中凌乱,是一个难得的美好体验。整天按照清晰的规则操作没意思,当上级的命令和内心的道德发生冲突的时候,人才能成长……

但相对论是个很安全的知识,一般不会导致跟老师的矛盾激化。老师在上面讲一个大众的版本,你坐在那里笑而不语,心中知道一个内部的版本,这难道不是一种优越感吗。这个优越感也许就能刺激孩子更好学。

教科书是给所有人用的,可能大多数人对物理知识并没有那么大的好奇心。但是谁也没规定十八岁以下的青年只能从教科书里获得知识,多方涉猎、量身定制、主动出击,也是读书人求知的本分。

我的孩子年龄太小,我没给他们讲什么物理。我倒是给我儿子找了一本课外的小学数学书让他学。那本书里有一个简便算法的公式,我儿子认为他的老师必定不知道那个公式。他把公式抄在卡片上,带到学校向老师炫耀 —— 我没有阻止,老师也很配合,我儿子在数学上拿到一次虚荣心的满足。

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