淺談物理學重視普適性

淺談物理學重視普適性

　　為什么牛頓的萬有引力定律很偉大？因為月亮是天上的，蘋果是人間的，看起來沒啥聯系，但背后卻潛藏著同一個運動規律——一切事物之間都存在萬有引力。

　　相比之下，亞里士多德的理論就很狹隘：“重的物體下落更快。”不能否認自然界中存在這樣的現象，但這個“規律”的適用范圍太小，太特殊，邏輯太直接，條件太繁雜，觀點太唯象——所以作為物理學，這個理論的意義不大。

　　牛頓理論的基礎（伽利略變換）也隱含一個類似的瑕疵——他的方程只有在相對靜止的觀察者看來才是成立的。或者說，牛頓定律滿足伽利略變換，而電磁的麥克斯韋定律滿足洛倫茲變換。這就奇怪了，自然界為什么要存在兩種互不相容的定律呢？一定有問題！

　　于是，愛因斯坦提出了狹義相對論，將動力學和電磁學的定律統一在了同一個框架下，這樣就是為什么他的論文叫“論動體的電動力學”。狹義相對論說，靜止的或勻速的觀察者會看到相同的物理定律。此時，伽利略變換并沒有被打倒，而是成為洛倫茲變換在低速時的特例。公正地說，狹義相對論擴充了牛頓定律。

　　感覺差不多了，為啥還要整一個廣義相對論呢？因為在宇宙中，靜止的、勻速的觀察者比大熊貓還珍稀，狹義相對論的適用范圍還不夠大。要想徹底描述宏觀世界的運動規律，就必須考慮加速運動觀察者的感受——這就是廣義相對論。廣義相對論的核心是愛因斯坦方程組，這個方程組“抽象的數學形式”在任何觀察者看來都是一樣的。

　　可以慶祝勝利了嗎？別高興太早。廣義相對論雖然獲得了巨大成功，但它卻只適用于宏觀世界，卻不適用于微觀世界——它總是和描述微觀世界的量子力學鬧別扭。宏觀都是由微觀組成的。所以，廣義相對論還不是真正的引力理論，只能說它是未來的量子引力理論的一種特殊情況，就好像狹義相對論是廣義相對論的特殊情況，而牛頓運動定律是狹義相對論的特殊情況，同時牛頓引力定律是廣義相對論的特殊情況一樣。

　　因此，物理學特別重視普適性。物理學希望自己無所不包。并且，物理學和其它自然科學都有對應的接口——不同學科的定律都可以看作物理學定律在復雜條件下的特殊形式（例如元素周期律）。任何描述大自然的理論都必須和物理學相容。

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