想象中的祝融星,因为经验和自信而诞生,因为

 新闻资讯     |      2020-03-26

想象中的祝融星,因为经验和自信而诞生,因为科学进步而退场

人类在开始探索世界的时候,就会抬起头看到天空当中无数的繁星。在古希腊,人们对于行星的研究诞生了几何学,而且建立一整套复杂的解释体系。天文学的验证需要模型体系的搭建,面对遥远的宇宙,在不能做实验的情况下,对于宇宙的想象容易陷入路径依赖,最终把某一理论发展到极致,之后就陷入了死胡同。这个时候,科学就需要颠覆式创新。






寻找祝融星

17世纪,人类迎来天文学研究巨大突破,牛顿万有引力横空出世。此时的天文学不但可以观测,还可以更加准确地计算,之后人们不断完善天文物理学的模型,然后再用观测的方法,去验证这些模型。


如果验证错误,那么说明这个理论模型是有纰漏的,或者说底层的原理是有错误的。比如之前人们提出地心说,该理论认为所有的星球,包括太阳、月亮,都是围绕地球旋转的,地球是整个宇宙的中心。






这套理论曾经流行很多年。很简单,这个理论很直观,我们站在地面上,确实感觉不到地球在转动,而且清清楚楚地看到日月星辰在围绕着我们转动。


但是文艺复兴之后,日心说又取代了地心说,此时人们认为太阳是宇宙的中心,地球、海王星、冥王星包括月亮都要围绕太阳旋转,此时宇宙学已经突破了人们的直觉。那么为什么会围绕太阳旋转?为什么还要在特定轨道上呢?


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其实万有引力从一开始就是为了解答这些宇宙问题的,而不是解释我们日常生活问题的。如果你拿着两个重量足够大的铁球,放在光滑的桌面上,为什么没有因为万有引力,两个球碰撞在一起呢?实际上万有引力是反生活常识的。


牛顿所有的观察都来自太空,他发现行星围绕太阳,只受到太阳引力的拉扯。自己旋转的同时,还要受到太阳引力的影响,因此会呈现出椭圆形的轨道,而不是一个标准圆。牛顿再接再厉,还计算出了彗星的轨道,并且成功计算出未来彗星会在什么时间出现。






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这个发现,在当时无异于石破天惊的,对当时世人造成非常大的震撼。站在未来的视角,可能我们觉得G=mg比较伟大,但是远不如彗星给当时世人造成的冲击要大。就像未来我们看爱因斯坦的质能方程E=mc2,肯定要比原子弹爆炸要伟大,但是原子弹在二战时期的影响力要远胜质能方程。


后来天文学家勒维耶发现天王星运行轨迹有些异常,如果按照万有引力理论,除了太阳之外,肯定还有一颗行星在干扰天王星。随后勒维耶计算出了这个未知行星的位置,伽利略用望远镜成功发现了这颗行星,这就是海王星。






牛顿的万有引力,无数次被验证,所以之后百年的时间,人们对于牛顿的理论深信不疑。不但拥有自洽的逻辑,还能预测未来。


之后天文学家把目光聚焦到水星上,如果按照万有引力,水星的轨道和实际观察到的轨道是有偏差的,按照海王星的案例,那么水星异常肯定因为水星和太阳之间,还存在着一个未知的行星,它的引力干扰了水星。当时人们把这个未知的行星,称呼为祝融星,源自罗马神话锻冶之神“Vulcanus”。




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人们认为它离太阳更近,也一定更热,是一个火山的世界,因此用神话当中火神来命名。祝融是三皇五帝时期,被任命的火神,因此翻译成中文就是祝融星。


全世界的天文学家,花费了近半个世纪的时间,一直在寻找这个祝融星。时常有新闻报道,称发现了祝融星,可是随后又报道,丢失了目标,祝融星总是和这些天文学家们躲猫猫,水星轨道的异常,一直没有得到解决。


瑞士的两名天文学家,甚至认为太阳黑子就是祝融星;美国、阿根廷等很多地方的天文爱好者都发布了关于祝融星的照片,随后都证明不过是太阳黑子。






爱因斯坦如何杀死祝融星的

为什么天文学家会集体犯错呢?这就是一种路径依赖的思维定势,因为之前人们用万有引力解释了无数的天文现象,而且用万有引力验证了各种猜想。整个天文学几乎都是构建在这套理论体系上的,如果牛顿万有引力错误,那么整个理论体系的大厦有可能就坍塌了。


但是天文学又是一个依靠观察验证的理论体系,之前的观察不成立,那么就有可能是这套理论体系是错误的,就需要一套新的解释体系。爱因斯坦认为,如果离太阳比较近,受到太阳引力很大,因此速度更快,此时我们不能用牛顿理论来处理。






而且此时爱因斯坦对引力进行重新解释,他认为引力是时空的扭曲,就像我们扯着一个床单,如果我们把球放到床单上,就会产生凹陷,太阳质量造成周围时空的弯曲。如果我们在床单上放上小球,那么这些小球就会在凹陷处旋转。






所以如果远离太阳的时候,我们用牛顿万有引力,计算结果是非常接近的,但是如果靠近太阳,这个偏差就会非常大。就这样,爱因斯坦彻底否认了祝融星的存在,认为科学家们完全没有必要找它,因为它根本就不存在。此时天文学家们称,爱因斯坦杀死了祝融星,并遭到无数天文学家的抵制。






天文学家可能是最保守的一个群体。天文学家的保守当然也不是坏事。这种保守,最大程度地保证了整个天文学理论体系的可靠。反过来说,一旦出现全新的现象,过去一切经验都无能为力的时候,天文学可能就会出现完全意料之外的颠覆式的创新。


爱因斯坦的这套时空弯曲理论,也同样需要去验证。如果有一道遥远恒星的光线路过太阳的时候,是不是也会发生弯曲呢?在日常环境下,我很难观察到的,因为太阳的光线实在是太强了,掩盖了其他恒星照射过来的光,只有发生日全食的时候,我们才能够观测得到。


人们趁着日全食短短几分钟内,验证了爱因斯坦理论的正确。这个困扰天文学近半个世纪的问题,最后终于真相大白。






理论是如何被颠覆的

在古希腊,人们关于地心说有一套完整的解释体系,应用这套解释体系,可以把观察到的现象完美进行解释。来到牛顿时代,人们又根据牛顿的这套理论体系,完美计算出这个宇宙的运行规律,整个宇宙似乎尽在掌握。


上个世纪50年代,人们用量子理论去解释宇宙问题,认为整个宇宙都是各类粒子组成的。不仅物质是由粒子组成的,力也是粒子之间交换而产生的。比如说两个电子碰撞的时候会产生电磁力,那是因为交换了光量子;还有产生强核力的 π 介子,产生弱核力的 W 玻色子,总之,所有一切都可以用粒子来解释。






到了80年代,量子理论几乎主宰了物理学界,量子物理的标准模型也建立起来,和古希腊,牛顿时期一样,人们把所有问题都要从粒子角度去解释。而且量子理论的标准模型,也是目前最高精度的物理学模型,几乎可以完美解释一切实验数据。


可是人们在原子对撞机当中发现了越来越多的粒子,这些海量的实验数据虽然验证了量子理论的正确性,但是也把物理学家们搞晕了。


因为在标准模型当中,关于基本夸克就有36种,如果再把不同夸克组合为不同粒子,这个组合数实在是太多了。即使是量子理论的研究者,他们也在怀疑标准模型是否为终极理论。






这个模型除了复杂之外,它还无法描绘万有引力,这个在17世纪就发现的物理现象,而且标准模型所依靠的广义相对论,量子理论和广义相对论这两大当代物理学的支柱理论还是没能结合起来,量子理论的自洽性,还不古希腊时期的地心说。


20世纪80年代,人们提出了“十维超弦理论”,也就是人们俗称的弦理论。弦理论提出,如果把粒子放大到一万亿倍,你就会发现这些粒子不是由一个个点组成的,而是一条正在振动的弦。就像我们吉他上的弦一样,你只要按住不同位置就可以发出不同声音。






因此即使是同一根弦,也能够弹出不同的音。所以振动的弦能构成无穷多的物质形态,这就解释了自然界中粒子的丰富性。弦理论真正的魅力,在于它有可能把广义相对论和量子理论结合到一起,人们又一次实现了逻辑的自洽性。






你发现了没?物理学上的重大的颠覆式创新出现之前,传统的理论都达到了登峰造极的高度,都可以解释一切。这种情况特别提醒我们深思。每当物理学可以解释一切的时候,我们必须警惕,是不是当前的理论已经陷入了死胡同,是我们自己在原地打转,根本没有办法跳出去看到新的可能性。这种时候,可能就是颠覆式创新的紧要关头,这种时候物理学必须通过全新的理论体系才能重生。