接下来牛顿和莱布尼兹发明了微积分并把它运用到物理学上,我们上中学的人都学过牛顿力学,知道牛顿力学的贡献在于它否定了绝对静止,建立了相对运动的理论体系,也就是说任何一个物体的运动必须要有参照系,一个物体相对于这个参照系是如何运动的,如果没有参照系是无法确定和计算一个物体的运动的。比如,我们说一列火车以50公里/小时的速度行驶,通常的情况下参照系是指地面。那么两个或者更多的物体运动又应该怎么描述呢?他们之间必须有一个参照系,比如说:一列火车以50公里/小时的速度行驶,通常的情况下参照系是指地面。如果你是站在另外一辆火车上的话,那么相对于你来讲,也就是说参照系是你的话,那一辆火车的速度就不再是50公里/小时了,这取决于你所在的这辆火车与那辆火车的运动关系,如果你们是平行的话,那么同方向或者反方向行驶相对于你与火车之间的相对速度是减去或者加上这个你所在的运动速度。但如果你们之间不是平行的,这就复杂了,需要计算相关的向量关系,如果不在一个平面上,那就更复杂了。但总的来讲,运动是相对的。但牛顿力学是建立在绝对时间上的,比如50公里/小时,不管你在哪辆火车上,也不管你与那辆火车之间的运动关系是怎样的,时间是不会变的,也就是说你在火车上跑一个小时,那辆火车同样也跑了一个小时。而爱因斯坦告诉我们时间是相对的,根据相对运动的原理,时间是相对的话就一定要找一个参照系,否则我们不知道是什么时间,一列火车以50公里/小时的速度行驶,通常的情况下参照系是指地面。在相对论中我们指的时间参照系又是什么呢?是这列火车所在空间的时间。那么那么两个或者更多的物体运动又应该怎么描述呢?如果你是站在另外一辆火车上的话,那么相对于你来讲,那一辆火车的速度就不再是50公里/小时了,这取决于你所在的这辆火车与那辆火车的运动关系,这是运动关系。那么时间关系呢?如果说参照系是你的话,那么时间参照系是火车所在空间的时间,也就是说是你的时间。那辆火车的时间是相对于你而言的。那么计算两辆火车之间的相对运动的话就一定要考虑相对时间的因素,因为你跑了一个小时,那辆火车相对于你来讲不是一个小时。时间根据相对论的原理,速度越快,时间越慢,由于火车的速度比较慢,所以两辆火车之间的时间相对差异可以忽略,我们也感觉不到这种差异。但高速相对运动就不一样了,速度差异越大,时间差异越明显。所以宇宙空间运动不能用牛顿力学来解决,这样会有误差。那么通过上面的描述我们知道,绝对的运动是不存在的,绝对的时间也是不存在的。还有什么是绝对的呢?对,科学定律是绝对的,物质和能量的存在是绝对的。但是量子力学否定了这一切。
1900年,普郎克提出量子理论,他认为能量也象原子一样,是由一个个能量包组成的,而且不能再分割了。1927年,海森堡提出不确定原理,不确定原理是量子力学的核心定律,它是怎么说的:“为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明它的位置。然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度,所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在,由普郎克的量子假设,人们不能用任意少的光的数量,至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且,位置测量得越准确,所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然。海森堡指出,粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。”你可能觉得有点奇怪,这不是告诉我们人类手段的极限吗?科技再发达一点不就可以了吗?但如果量子理论是真实的话,这有点象爱因斯坦提出的光速是极限一样,由于能量子是最小的能量单位,所以,不确定原理不是人类手段的极限,而是物理世界的极限,所以它是科学定律。那么这个定律告诉我们什么了呢?科学定律在这里不起作用了,因为你无法观测基本粒子的世界,所以你无法确定一个基本粒子的状态。如果你不能观测到粒子,你又怎么能推算它会怎么运动呢?量子物理学家们放弃了预测某个基本粒子的运动,量子力学只能求出粒子在空间某点出现的几率或者具有某种动量的几率。例如:我们知道的玻尔的原子模型,电子有运转的轨道。而量子力学的结果则认为电子可能在某处更频繁的出现,而在其他地方则较为罕见,因为你不知道电子的位置和速度。所以电子在核外运动没有固定的运动轨道;服从测不准原理;按几率分布的统计规律:。因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动,量子世界的本质是“随机性”。传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的,必须以一种统计性的解释来取而代之,波函数ψ就是一种统计,它的平方代表了粒子在某处出现的概率。当我们说“电子出现在x处”时,我们并不知道这个事件的“原因”是什么,它是一个完全随机的过程,没有因果关系。在这个基础上,玻尔提出了互补原理:玻尔认为由于我们无法观测基本粒子,所以我们无法知道基本粒子到底是个什么样子,是个粒子还是波,比如电子是粒子还是波?那要看你怎么观察它。如果采用光电效应的观察方式,那么它无疑是个粒子;要是用双缝来观察,那么它无疑是个波。那电子本来的面目呢?没有人知道。换言之,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的绝对自然,测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。在量子力学的世界里,世界没有因果关系,完全是随机的,科学定律在这里完全失效,物理学家们告诉你说刚才那里冒出了个电子,至于电子从哪里来的,物理学家们说:“我也不知道,因为量子力学告诉我们它们就是随机的。”呵呵,这个世界乱套了。
海森堡在发现不确定原理的时候发现能量E和时间t也服从不确定原理。只要能量E测量得越准确,时刻t就愈加模糊;反过来,时间t测量得愈准确,能量E就开始大规模地起伏不定。我们知道t测量得越准确,E就越不确定。所以在非常非常短的一刹那,也就是t非常确定的一瞬间,即使真空中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现的,它的确违反了能量守恒定律!但是这一刹那极短,在人们还没有来得及发现以前,它又神秘消失,使得能量守恒定律在整体上得以维持。间隔越短,t就越确定,E就越不确定,可以凭空出现的能量也就越大。爱因斯坦告诉我们,我们知道物质和能量是可以互换的。那么这个发现意味着什么呢?你去观测时间和能量的时候,会导致时间和能量的波动,物质或者说能量会无中生有。于是有人讽刺量子力学说:“当我们不去观测月亮的时候,它根本不存在。”也难怪,这个太匪夷所思了。物理学给自己下了一个解不开的套。
通过上面对物理学的描述,我们知道,现代物理学已经否定了一切绝对。只存在相对的事物,并受制于我们的观测手段。有人说:数学是绝对的,是这样吗?下一篇:数学的相对性。
数学的相对性
1+1=2,这个好象是绝对精确的。不过一旦联系到实际就不同了,1个苹果加上另1个苹果等于2个苹果,这句话似乎是没有什么问题的。不过在实际中是有问题的,比如你去买苹果:2个苹果,你一定会挑大的,质量好的,而不是任意1个苹果+1个苹果=2个苹果。有人可能会说我在玩文字游戏,1个苹果+另1个苹果就是等于2个苹果,1个大苹果+1个小苹果同样等于2个苹果。是的,但这句话也有问题,站在绝对的领域里描述是有问题的,2个大苹果也是2个苹果,2个小苹果也是2个苹果,那么上面的2个大苹果等于2个小苹果么?我是这样理解的,相对于一个数学家而言,或者是一个写作业的孩子而言,1个苹果+另外1个苹果等于2个苹果,这没有错。而相对于一个去买苹果的人而言则不是这样,2个苹果这个概念的描述不够精确。所以数学一旦进入实用领域就变得不是绝对的了,也有人说:这是语言描述的问题,不是数学的问题,是两码事情,语言的相对性我们放在后面讲,纯数学领域是绝对精确的么?
毕达哥拉斯 ,从小就很聪明,一次他背着柴禾从街上走过,一位长者见他捆柴的方法与别人不同,便说:“这孩子有数学奇才,将来会成为一个大学者。”他闻听此言,便摔掉柴禾南渡地中海到泰勒斯门下去求学。毕达哥拉斯本来就极聪明,经泰勒一指点,许多数学难题在他的手下便迎刃而解。其中,他证明了三角形的内角和等于180度;能算出你若要用瓷砖铺地,则只有用正三角、正四角、正六角三种正多角砖才能刚好将地铺满,还证明了世界上只有五种正多面体,即:正4、6、8、12、20面体。他还发现了奇数、偶数、三角数、四角数、完全数、友数,直到毕达哥拉斯数。然而他最伟大的成就是发现了后来以他的名字命名的毕达哥拉斯定理(勾股弦定理)�
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