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物理定律曾被打破过吗?

有些旧定律已被打破,而今天可能出现新的物理定律。了解更多关于物理定律以及为何有时它们被证明是错误的也没关系。

作者:Paul M. Sutter
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图片来源:metamorworks/Shutterstock

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纵观数个世纪,许多(但并非所有)物理定律都曾被打破。有些定律目前仍在被打破,这是一件好事,因为这意味着我们对宇宙还有更多需要学习的地方。

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什么是物理定律?

首先,在物理学中,“定律”这个词的定义有些松散,即使在物理学家之间也是如此。有时,这个词适用于我们长期以来一直观察到的自然世界中的真实属性。有时,这个词会附属于构成宏大、庞杂、复杂的宇宙理论基石的基本概念。有时,它仅仅是一个不再适用的旧术语。

但无论如何,请记住一个重要事实:科学中的所有知识,包括最重要的定律,都是暂时的。它都基于证据。如果证据发生变化,那么我们就更新我们的物理学知识,必要时推翻定律,然后继续前进。这就是我们在知识上取得进步,并对自然有了更深刻理解的方式。这是物理学中最有趣的部分:我们总能学到新东西。


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哪些定律尚未被打破?

话虽如此,有些定律非常核心,经过了深入的研究和实验,要推翻它们将需要付出巨大的努力。例如,动量守恒定律在物理学的几乎每一个角落都有其应用。

事实上,几乎所有的物理学理论基本上都是对动量守恒的不同应用。它是基础力学(牛顿的 F=ma 只是另一种表述方式)、引力、相对论、流体力学、电磁学等的基础。

原则上,我们可能在这条定律上出错,作为科学家,我们必须随时准备好,如果需要,就将其抛弃,但经过几个世纪对动量守恒的研究,我们从未,从未观察到过违反它的情况,所以这并不会让我们失眠。


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哪些物理定律已被打破?

其他定律,尤其是那些历史上曾被称为“定律”但实际上不配的定律,在提出后不久就被推翻了。一个例子是波德定律,该定律于 1715 年提出,声称每个行星到太阳的距离应该是内侧行星到太阳距离的大约两倍。该定律适用于谷神星,它预言小行星带区域应该存在某种天体,但在海王星被发现后就失效了。现在没有人再谈论波德定律了。

牛顿的万有引力定律是什么?

然后还有一些介于两者之间的定律,这些定律最有趣。这些定律是正确的,但随着我们对宇宙的了解不断深入,我们发现它们只是更宏大宇宙认识论的一部分。

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例如,有牛顿的万有引力定律,这是我们理解引力乃至更广阔宇宙物理学的一个重大革命性进步。他意识到,每一个物体都参与引力,这种联系可以解释从苹果从树上掉下来(地球在拉它)到月球的轨道(地球也在拉它),再到潮汐(月球对地球施加拉力)等现象。

牛顿的引力定律表述相对简单。两个物体之间的引力大小与它们的质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。搞定。牛顿的引力定律非常强大,我们可以用它来计算火炮射程,并将人类送上月球。

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牛顿的万有引力定律有什么问题?

但它也不完整。在牛顿提出他的理论仅仅几十年后,物理学家们就发现了它的不足之处,比如它无法完全描述水星的轨道。直到爱因斯坦的工作,才扩展了我们对引力的理解,并以广义相对论的形式提供了更普适(也更复杂)的描述。

牛顿的引力定律在宇宙的大部分地区仍然适用,但在更极端的情况下,比如在黑洞附近,或者需要更高精度时,比如计算 GPS 坐标时,就需要“打破”牛顿定律,升级到相对论。


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我们还在学习物理定律吗?

宇宙中充满了奥秘。我们现在还不知道暗物质或暗能量的本质。我们还不知道中微子为何有质量。我们还不知道宇宙大爆炸最初的瞬间发生了什么。

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但我们不了解黑洞中心会发生什么。这些谜团的答案可能就存在于我们已知物理定律的范畴内,只是以我们目前无法辨别的方式。或者,也许我们需要推翻我们最珍视、最基本的定律来解释这些谜团。

无论哪种方式,我们都能学到新东西。


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  • 保罗·M·萨特

    保罗·M·萨特是一位理论宇宙学家、NASA顾问、“Ask a Spaceman”播客主持人,以及美国文化大使。他是《你的宇宙之位》和《如何在太空中死去》的作者。

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