从一个物理学危机谈起，请不要相信自己的直觉！

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第十季第1篇

大家好！我是科学羊🐏。

今天开始我们会同步会更新物理学第十季的文章，第十季具体会围绕物理学中的物理现象以及科学故事为主，另外，我打算新增一个专栏——开展工程学的知识，毕竟物理数学对于我们现在而言最重要的还是怎么去应用。

对于应用的部分，我们就称为工程学专栏，也算是24年开始开更的一个新专栏，大家尽请期待！

对于工程学专栏，主打科普机器人专业、工程学算法、工程工艺、工程发明与创作等等领域的相关知识。

这部分知识我会紧围绕现实场景来展开，所以后期对工程学或计算机工程等感兴趣的朋友可关注，一起进步学习！

好，废话不多说，开始今天的课题。

01 科学危机

今天我看来聊聊一个物理学的危机！

说到危机，我们在数学篇讲过数学的两次危机，其实都是因为现有的科学知识水平不足以描述一个数学原理才导致的危机。

其实，数学危机发生曾发生过三次。

在第一次数学危机中，因为发现腰长为1的等腰直角三角形的斜边长度无法写成有理数，从而导致出现无理数概念。

第二次数学危机，解决微积分引入无穷小量而产生的问题。

第三次数学危机，因罗素悖论而起，它点出朴素集合论中的缺失。

看得出，危机其实不是坏事，而是好事！

那么我们今天谈的这个物理危机，当然关于相对论的问题了。

我们知道，所有的物理基本都是基于宏观世界的现象而开始，比如我们高中时候学习的物理知识刚开始都是以牛顿定律展开，小到滑块运动，大到天体运动！

而微观世界，尤其是量子力学等不会在高中时候涉及，而是在大学才接触！

从这里个教育本身就能看出，我们在高中学的知识是大家看得见想得到的，而大学之后，就需要靠想象、靠认知了。

19世纪之前，人类对世界的认知一直停留在宏观层面，也就是那些看得见摸得着的现象，而20世纪，科学的发展使得科学家们观察到的世界与宏观的世界有点不太一样呢，这些现象是过去牛顿、焦尔和麦克斯韦的的经典物理学无法解释的。

一开始，他们还自信的用旧实验来证明新世界，可惜，怎么也解释不通。最后，物理学家们只能承认物理学的大厦基本假设可能是错误的。

02 伽利略变换引发的危机

我们来看个例子：伽利略变换，伽利略变换符合我们的生活常识，牛顿的所有物理学理论和其它经典的力学理论都是建立在伽利略变换上的。

什么是伽利略变换呢？

其实就是参照系和相对速度。

比如坐火车，假如火车前进的速度是100公里／小时。如果我们从火车的后部以每小时5公里的速度往前走，我们相对铁路旁静止的电线杆的速度则是100+5=105公里／小时，当然当我们以每小时5公里的速度往火车后面的车厢走时，我们前进的速度就是100-5=95公里／小时。

根据我们的直觉，伽利略变换一定是对的。不过，伽利略变换成立其实有一个前提条件，那就是空间和时间都必须是独立的、绝对的，与物体的运动无关。

也就是说，如果我们在地面上看到的两个电线杆距离是50米，在火车上看也是这么长，长度本身和运动无关；

也就是说，无论我们在火车上还是地面上，看到的两个电线杆之间的距离应该是相同的，时间的流逝也应该是相同的。

在日常生活中，我们从未对这一假设产生过疑问。然而，当麦克斯韦在研究电磁学时，他发现伽利略变换似乎存在问题。

麦克斯韦总结出的一组电磁学方程组，在数学上是有漏洞的，因为它们不能像经典力学的公式那样，直接将参照系的影响叠加上去。

为了解决这一矛盾，物理学家们提出了“以太”这一概念，作为宇宙中绝对静止的参照系。他们甚至设计了实验来证实以太的存在。

然而，这些实验的结果表明，以太这种绝对的参照系并不存在，光速在任何参照系中都是恒定的。

这个发现显然与我们的常识不符。人们本来希望通过实验解决物理学上的矛盾，结果却发现了更大的矛盾。这就是所谓的近代物理学危机。

为了解决这场危机，荷兰物理学家洛伦兹提出了一个大胆的假设：假定光速是恒定的，而时间可以随着运动变长或变短。

他使用这个假设重新整理了经典物理学的公式和麦克斯韦方程组，发现电动力学和经典物理学的矛盾消失了。

这一系列基于光速恒定的公式，被称为“洛伦兹变换”。

然而，洛伦兹本人也不清楚这个数学模型背后是否有合理的物理学解释。

爱因斯坦

这时，爱因斯坦，年仅26岁，正在瑞士专利局当专利员，他意识到了伽利略变换的问题，并认为洛伦兹变换是正确的。

并指出，在我们日常生活的低速空间中，伽利略变换和洛伦兹变换几乎没有区别。

但在高速运动的情况下，伽利略变换就不再适用。

于是，爱因斯坦在洛伦兹变换的基础上，建立了一种新的时空观，即“相对论时空观”。在这种新的时空观中，原有的力学定律都需要修正，而牛顿定律只是低速空间中的特例。

沿着快速加速的观察者的世界线来看的时空。竖直方向表示时间。水平方向表示距离，虚划线是观察者的时空轨迹（“世界线”）。图的下四分之一表示观察者可以看到的事件。上四分之一表示光锥- 将可以看到观察者的事件点。小点是时空中的任意的事件。世界线的斜率（从竖直方向的偏离）给出了相对于观察者的速度。注意看时空的图像随着观察者加速时的变化。（图片来自wiki）

后来，我们都知道了，1905年，爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》论文，建立了狭义相对论，从而统一了经典物理学和电磁学。

总结来看，我们可以学到很多东西，

第一，危机即机会。

出现问题，无论从自身还是系统来看，其实很可能是一个大变革！

从物理学来分析，牛顿时代到19世纪末，由于经典力学已经非常成熟，几乎没有进展，因此没有危机。

然而，到了19世纪末，人类遇到了无法用经典理论解释的物理学现象，从而出现了危机。在大多数人看来，危机是坏事，但总有一些人能在危机中看到机会。

第二，当我们陷入困境时，不妨回到起点，重新审视基本前提。

近代物理学危机的根源在于最基本的伽利略变换是错误的。

因此，要解决这场危机，就需要重新建立基础，这就是洛伦兹变换的来源。

在我们的生活和工作中，当我们遇到难以解决的问题时，我们首先应该问自己，是否一开始的理解就是错误的。这就是回到起点的重要性。

🤔思考下这个问题的起源是不是被定义错了！

第三，有时候不要相信直觉！虽然我们的直觉在熟悉的环境中通常是准确的，但在超出我们日常生活环境的情况下，它往往会误导我们。

由于我们生活在一个速度较慢的世界中，因此我们难以理解光速世界的物理定律。同样，由于我们生活在地球上，理解地球围绕太阳转的观念就很困难。

但如果我们能够跳出自己熟悉的环境，就会更容易理解世界上的许多其他事物。

最后的话：

有时候，午休时刻，我经常会让自己思维跳出地球🌍，我想象自己漂浮在空间站看像一望无际的漆黑深空。

思考，远处的物理定律是否和我们星球一样呢！

其实啊，我们接触的知识，包括数学到物理，到所有的所有，可能放在宇宙，连0.1%。

好，今天就先这样啦~

PS：后面科学羊会不定期更新数学、物理、工程学的知识啦～～～～

科学羊🐏  2024/01/07

祝幸福~

参考文献：

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=7NqeGmE2w4bnK4ebeVP31lv5WZ9rjY

[2]. 图片来自网络

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