物理学关心的普适性.doc

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1、为什么牛顿的万有引力定律很伟大？因为之前会有人以为，月亮是天上的，苹果是人间的，“不是一个体系的”。虽然看起来确实没联系，但牛顿第一次告诉我们，无论在天上还是人间，都潜伏着同一个运动法则：一切事物之间都存在万有引力；引力的强度和质量成正比，和质心距离的平方成反比。相比之下，亚里士多德的理论就很狭隘：“重的物体下落快。”不能否认自然界中存在这样的现象，但这个“规律”的适用范围太小，前提条件太繁杂，做出的预言太乏力——作为物理学理论的意义不大。不过在事后诸葛亮看来，牛顿理论也隐含一个类似的瑕疵——他的动力学方程只有在相对静止或远低于光速的观察者看来才是成立的。这和

2、19世纪时描述电磁现象的麦克斯韦方程产生了矛盾。难道牛顿定律就像人间的苹果，麦克斯韦定律就像天上的月亮，“不是一个体系的”？这就奇怪了，自然界为什么要存在两种互不相容的定律呢？一定有问题！后来，爱因斯坦提出了狭义相对论，将动力学和电磁学的定律统一在了同一个框架下，这就是为什么他的论文叫《论动体的电动力学》。狭义相对论认为，无论你跑得多快，在你看来光速都是一样的，不能像牛顿定律那样把速度简单地相加。所以，静止的或匀速的观察者得出的物理定律都是一样的。此时，牛顿方程并没有被打倒，而是成为狭义相对论在低速时的特例。公正地说，狭义相对论扩充了牛顿定律。那么，为啥还要接

3、着提出一个广义相对论呢？因为在宇宙中，静止的、匀速的观察者比大熊猫还珍稀。所以狭义相对论的适用范围还不够大。要想彻底描述宏观世界的运动规律，就必须考虑加速运动观察者的感受——这就是广义相对论的任务。广义相对论的核心是爱因斯坦方程组，这个方程组“抽象的数学形式”在任何观察者看来都是一样的。可以庆祝胜利了吗？别高兴太早。广义相对论虽然获得了巨大成功，但它只适用于宏观世界，却不适用于微观世界——它总是和描述微观世界的量子力学闹别扭。例如，广义相对论认为时空是连续的、光滑的，量子力学认为时空是分立的、起伏不平的。宏观都是由微观组成的。所以，广义相对论还不是真正的引力理

4、论，只能说它是未来的量子引力理论的一种特殊情况，就好像狭义相对论是广义相对论在无引力时的特殊情况，牛顿运动定律是狭义相对论在低速时的特殊情况，同时牛顿引力定律是广义相对论在低速弱引力时的特殊情况一样。因此，物理学特别重视普适性。物理学希望自己无所不包。并且，物理学和其它自然科学都有对应的接口——不同学科的定律都可以看作物理规律在复杂条件下的特殊形式。正面的例子是化学的元素周期律。为什么化学元素有这样的周期？这是由核外电子的数量和分布决定的。为什么第一周期只有2种元素，第二周期却有8种元素？因为量子力学薛定谔方程的解允许原子核外的“1楼”住2个电子；“2楼”住8

5、个电子。为什么“1楼”不能住3个电子？因为“1楼”只有“2个房间”，根据泡利不相容原理，有几个房间最多就只能住几个电子。