物理界会出现另一个爱因斯坦或牛顿吗？

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在所有科学领域，没有比爱因斯坦和牛顿更能改变世界的人物了。会有人再次成为像爱因斯坦或牛顿那样的革命者吗？

可能永远不会有另一个爱因斯坦或另一个牛顿，但我们都可以学会在适当的物理环境下利用他们的方程式。我们可以像他们一样在物理方面变得出色：通过解决问题。

关键要点

• 科学史上最具变革性的两个人物是牛顿和爱因斯坦，他们从根本上改变了我们对宇宙的看法。
• 为了实现他们所做的科学革命，他们必须从根本上重新制定支配现实的基本规则，同时同意迄今为止的所有观察结果并做出新颖的、可检验的预测。
• 对于 21 世纪的科学来说，这样的任务是否过于雄心勃勃？即使是最聪明的头脑，即使是转世的爱因斯坦或牛顿本人，也不能提高我们的理解力吗？这是一个值得探讨的问题。

如果你问任何人谁是历史上最伟大的科学家，人们很可能会说出两个名字：阿尔伯特·爱因斯坦和艾萨克·牛顿。牛顿最伟大的成就是他的力学理论⁠——即描述物理对象的运动定律⁠以及万有引力理论。200 多年来，牛顿的理论从未受到挑战，直到爱因斯坦首先构想出狭义相对论，然后是广义相对论，取代并改进了牛顿的运动和引力思想。从那以后的所有时间里，没有其他科学家在彻底改变我们对宇宙的看法方面取得了可比的进步。

科学革命仍有可能发生。但门槛确实很高，很难想象一个人是如何做到的。这就是为什么。

艾萨克·牛顿在物理学和数学的许多学科中取得了巨大进步，主要是靠他自己。他彻底改变了引力、运动、光学，并共同发明了微积分。

尽管许多人将牛顿誉为“物理学之父”，但事实并非如此。在 17 世纪早期，已经出现了一些重大的科学进展来确定支配宇宙的规则。

• 伽利略发现了木星的卫星、金星的相位以及与物体的距离、速度、加速度和时间流逝相关的运动定律。相对论的原始版本，伽利略相对论，至今仍在物理课上教授。
• 开普勒发现了行星运动的规律，包括行星以太阳为一个焦点的椭圆运行，给定行星在给定时间内在其轨道上会追踪出多少面积，以及轨道天体的半长轴之间的关系（相当于“半径”，但对于非圆）及其轨道周期。这些规则在提出约 400 年后仍然有效。
• 克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 推导出并理解了振荡和光的波动性质，包括干涉和衍射。他还推导了钟摆的运动并将推导用于实际目的：成为当时世界上最伟大的摆钟制造商。
• 显微镜的发明者和第一个观察微生物的人罗伯特·胡克 (Robert Hooke) 最著名的是他对弹簧运动和一维、二维和三维空间中所有类似弹簧的力的描述：胡克定律。

支配 slinky 的物理定律是支配弹簧的定律或胡克定律以及万有引力和机械运动定律的组合，这两个定律最初都是由牛顿给出的。尽管两人都是对手而不是朋友，但必须将他们的贡献结合起来才能解释紧身衣的运动。

还有人说“牛顿之前没有物理学”，这严重歪曲了真实存在的历史事实。然而，牛顿的贡献确实是深远的。通过独立发展微积分（与他同时代的戈特弗里德莱布尼茨一起），牛顿能够做一些其他人无法做到的事情：从你可以建立物理系统的任何初始条件计算出该系统将在过去或未来的任何时刻演化成或将演化自。这种数学工具仍然是几乎所有现代物理学的基础

但牛顿也成为第一个通过他的万有引力定律成功利用它的人。通过简单地假设宇宙中的所有质量都有一个位置，并且都会用与它们之间的距离平方成反比的力相互吸引，牛顿然后可以应用微积分来确定任何物体在重力影响下将如何移动，任意遥远的未来。从地球上自由落体的物体到卫星、行星和彗星，突然之间，宇宙就像发条一样，变成了一个可以预测的地方。

先驱者十一号跟随先驱者十号的脚步，实际上飞越了木星的月球系统，然后利用木星的引力作为辅助机动，将其带到了土星。在探索土星系统时，首先是行星科学，它发现并几乎与土星的卫星 Epimetheus 相撞，估计与它相撞约 4000 公里。仅凭牛顿引力就能够计算出这些机动动作。

爱因斯坦颠覆了牛顿的基础工作

出于以下原因，很多人喜欢将牛顿与托勒密进行比较。

• 1000 多年来，托勒密的地心宇宙模型一直占据主导地位。有些提议考虑了其他观点——萨摩斯岛的阿里斯塔克斯 (Aristarchus of Samos) 在哥白尼之前一千年就提出了日心说——但通过巧妙地使用本轮、等距轮和均轮轮，能够制作一个更成功地描述行星运动的太阳系模型比任何其他。在理论不成功的地方进行了额外的调整，但几个世纪以来都没有尝试过革命。直到开普勒提出椭圆轨道的想法，另一个模型才会像托勒密的模型一样成功。然而，事后看来，显然开普勒的所有定律都可以从牛顿引力推导出来，他有一个更高级、更强大的模型，而且还拥有托勒密模型所不具备的东西：预测能力。
• 200 多年来，牛顿的宇宙观，包括他的机械运动定律和万有引力定律，几乎没有受到挑战。尽管有许多现象无法仅用牛顿的思想来解释——天王星的轨道速度（通过海王星的发现得到解决）、水星的轨道进动（由于未发现火神星而加剧），以及他的定律以接近光速的速度失效——直到 20 世纪才有人认真提出替代方案。Simon Newcomb 和 Asaph Hall 提出的第一个替代方案只是稍微改变了牛顿万有引力定律中的指数，以匹配观察到的水星进动。

此图显示行星绕太阳轨道的进动。极少量的进动是由于我们太阳系中的广义相对论造成的；水星每世纪进动 43 角秒，这是我们所有行星中最大的值。这颗新发现的小行星拥有任何稳定物体中最小的近日点，这将允许比以往任何时候都更好地测试太阳系内的广义相对论。

当然，后来爱因斯坦出现了，剩下的就是历史了。

首先，在 1905 年，爱因斯坦重新阐述了我们如何看待运动。他拒绝了空间和时间对每个人来说都是恒定的想法，而不是物体在特定时间具有普遍的、绝对的位置。相反，它们看起来是相对的，取决于你在哪里以及你移动的速度（和方向）。相反，对每个人来说不变的是光速，这是他在考虑到没有任何观察者能够比任何其他观察者更快地“赶上”光（一种电磁波）之后得出的结论。光总是以相同的通用速度退去：真空中的光速。

从那个假设中，他能够重新推导出长度收缩和时间膨胀的现象，这一切都不需要光通过的介质，这与之前的假设相反。这导致了空间和时间的统一，分别成为一个单一的四维结构：时空。它将解释为什么不稳定的粒子在接近光速时寿命更长，以及为什么没有两个以不同速度移动的观察者就“同时”的概念达成一致。各种其他结果被导出、测试并证明与狭义相对论一致。

由光子在两个镜子之间弹跳形成的光钟将为任何观察者定义时间。尽管这两个观察者可能不会就时间流逝达成一致，但他们会同意物理定律和宇宙常数，例如光速。当正确应用相对论时，将发现它们的测量值彼此等效，因为正确的相对论变换将使一个观察者理解另一个观察者的观察结果。

但这导致了一个更大的难题：如果空间和时间不是绝对的，那么引力是如何起作用的？

尽管他花了整整十年的时间（并得到了很多帮助）才到达那里，但爱因斯坦最终还是成功地开发了我们所知的广义相对论框架。它始于作为一个概念的时空结构，但认识到爱因斯坦后来称之为“他最快乐的想法”的原理：等效原理。爱因斯坦想象自己在地球表面的一个没有窗户的房间里，并试图区分这种情况，而不是在一个没有窗户的房间里，这个房间在太空中自由加速，就像在火箭飞船上一样，加速度恰好是重力引起的地球表面：9.8m/s²。

然而，重力只是加速度的一种形式，因此，那些因狭义相对论中的运动而发生的相同现象——时间膨胀、长度收缩、光的红移、行星轨道的进动等也一定会发生在任何你拥有的地方一个引力源。爱因斯坦认为时空不仅是一种平坦的静态结构，而且会随着物质和能量的存在和分布而弯曲，爱因斯坦一举彻底改变了我们对空间、时间和引力的看法。

对爱因斯坦的广义相对论进行了无数次科学测试，使这一想法受到人类有史以来最严格的限制。爱因斯坦的第一个解决方案是针对单一质量（如太阳）周围的弱场限制；他将这些结果应用于我们的太阳系，取得了巨大的成功。很快，此后找到了一些精确的解决方案。

然而，经常被忽视的是，牛顿和爱因斯坦并不是简单地提出与观察结果一致的理论。每个人都能够做的一件大事是做出一个新颖的预测——一个以前从未做过的并且与任何先前理论的预测有显着差异的预测可以测量和测试，验证或否定新理论。

牛顿的伟大预言实际上源于著名天文学家埃德蒙·哈雷向他提出的一个问题，即彗星在遵循平方反比定律的引力场中的轨道。它导致了对我们今天所知的哈雷彗星在 1758 年回归的预测。虽然牛顿和哈雷那时都已经去世很久了，但它仍然是有史以来最引人注目的理论证实之一。

爱因斯坦的理论来得更快：他的理论预测光在靠近大引力质量时会发生巨大而特定的偏转。意识到在日全食期间可以在太阳边缘附近看到星星，因此计划在 1915 年之后的几年里进行远征以监测这些日食。 1918 年的大日食，亚瑟·爱丁顿 (Arthur Eddington) 组织的 1919 年探险队实际上测量了太阳光的偏转。爱因斯坦，而不是牛顿，结束了这一天。

1919 年爱丁顿探险的结果最终表明，广义相对论描述了星光围绕大质量物体的弯曲，推翻了牛顿的理论。这是对爱因斯坦引力理论的首次观测证实。

在这两种情况下，都有一些已经存在的理论可以解释部分，但不是已经观察到的各种现象。在这两种情况下，都存在悬而未决的问题和困惑，其解决方案仍然难以捉摸。而且，在这两种情况下，当时流行的理论要么不完整，要么不一致。

当牛顿和爱因斯坦各自出现时，他们所做的是奠定了一个新的基础原则，在此基础上可以构建一个新的理论。该理论将以先前理论所不具备的方式自洽和预测：牛顿将地球和天空中发生的力相互统一，爱因斯坦将时空和相对论的概念与引力现象统一起来。

但每个人还必须清除任何科学理论必须通过的三个挑战的高标准才能取代另一个。

新理论必须成功地容纳旧理论所做的每一个成功预测。旧理论成功的地方不能有新理论的失败。

新理论必须成功地解释旧理论未能解释的特定现象。它的事后判决力必须立即显现出来。

并且新理论必须对可观察到的现象做出明确的预测，这些现象在数量上不同于旧理论，然后必须果断地进行批判性检验。

生动地观察时空在质量移动时如何响应有助于从质量上准确地展示它不仅是一块织物，而且整个空间本身都因宇宙中物质和能量的存在和特性而弯曲. 请注意，只有当我们不仅包括大质量物体的位置，而且还包括该质量在整个时间内所处的位置时，才能描述时空。该物体所在位置的瞬时位置和过去的历史决定了物体在宇宙中移动时所受的力，这使得广义相对论的微分方程组比牛顿的更复杂。

那还会有另一场像牛顿或爱因斯坦那样大的革命吗？

已经测量、观察、实验和量化的现象越多，任何新想法就越难以与流行的、预先存在的理论的预测相匹配。提出一个新的基本原则，从中可以推导出大量现有的物理学是非常困难的；大多数现代尝试甚至无法清除障碍！

• 修改重力的尝试一直无法做到。
• 涌现引力或熵引力也无法做到这一点。
• 只有放弃六个空间维度并将“额外”参数（Brans-Dicke 参数）设置为无穷大，弦理论才能做到这一点，因此这是一个没有充分解释的断言。

大多数对新基础原则的尝试都是从试图解释当前理论无法解释的现象的角度出发，并试图倒退到原先理论的成功案例中，但迄今为止这种方法毫无结果。

要么，要么他们试图保留关于现代理论的一切，但略微修改它以适应以前无法解释的现象。不幸的是，“引入一个新的自由参数来解释一个且唯一的一个新现象”的模式从未奏效。它可能永远不会。

从预先存在的状态来看，暴胀预测随着暴胀的继续，将产生一系列的宇宙，每个宇宙都与其他宇宙完全分离，被更多的暴胀空间隔开。这些“气泡”之一，暴胀结束的地方，在大约 138 亿年前诞生了我们的宇宙，它的熵密度非常低，但从未违反热力学第二定律。

这并不是说物理学家不应该继续尝试；我们当然应该！我认为，自爱因斯坦以来的这些年里，最接近推翻我们先前的宇宙概念的人是艾伦·古斯 (Alan Guth) 提出的宇宙膨胀理论。（独立地，其他人，包括 Alexei Starobinskii 和 Robert Brout 提出了与 Guth 非常相似的东西。）通过假设空间结构固有能量驱动的早期快速指数膨胀，然后能量“衰变”成量子物质、反物质和辐射，膨胀可以：

• 重现大爆炸的所有成功，
• 解释大爆炸不喜欢平坦、均匀的温度和缺乏高能遗迹的多个宇宙谜题，
• 并且可以对热大爆炸发生时的波动和最高温度做出新的预测。

这不是一件容易的事，大多数推翻或取代我们当今最流行的理论的尝试最终都在取得进展之前就失败了。但是要知道是否有可能提出一个更好的理论，唯一的方法就是尝试。无论是团队还是个人，都必须认识到只有宇宙本身才能最终为我们决定自然界的真实行为。我们有责任对其进行正确的测试。