牛顿力学和量子力学相互矛盾么?

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  科学的范式

  很多人总是会天然地认为新理论的出现,会颠覆原来的理论。具体来说,就有很多人会认为爱因斯坦的理论打败(否定)了牛顿的理论。

  

  如果真的是这样,那么现在初高中生,甚至是包括大学本科生都在学习牛顿力学就说不过去了。哪有明明知道是错误的理论还教,这学校也太不负责任了吧。因此,绝不是谁的理论否定的谁这么简单。

  其实只要是主流科学理论,它们比拼的并不是“对和错”,而是“谁更具有普适性”,“误差更小”。

  就拿牛顿理论来说,这个理论是300年前,牛顿提出来的,这个理论的提出,标志着近代科学的发展。科学家开始可以仅仅依靠笔和纸就做出许多精准的预言,比如:牛顿的小迷弟哈雷,就用牛顿的理论预言了哈雷彗星的周期。

  

  后来,数学家们也仅仅依靠纸和笔就成功的预言了海王星的存在以及位置,然后天文学家用望远镜一观测,结果真的是理论和观测高度吻合。

  

  甚至到现在,很多科学家都在利用牛顿力学来解决航天的问题,很多探测器经过几年的飞行到达预定地点时,误差也仅仅是几秒钟而已。

  

  你可以这样认为,否定牛顿力学,某种程度上就要否定人类自己的观测结果,毕竟两者是高度吻合。

  但由于科学的发展和人类观测技术是息息相关的。在牛顿的时代,人类的观测技术比较简陋,只能看到宏观低速下的物理学现象。因此,牛顿是在这个基础上提出了牛顿力学。这个理论很好地解释了宏观低速下的物理学世界。

  

  量子力学、相对论与牛顿力学

  随着观测技术的发展,当科学家可以看到更大的尺度,或者更小的尺度时,就会用已有的理论去适配。比如,在引力特别大(离太阳比较的地方)或者速度特别快(接近于光速)时,科学家就发现,牛顿力学不好用了,误差变得特别大。

  同样的,当科学家可以观测到很小的尺度时,比如:小于原子的尺度,这时候的一些物理现象也没有办法用牛顿力学来解释了。

  

  这时候,我们就需要新理论,现在我们知道在小尺度上是量子力学弥补了这个尺度上的问题,相对论能解释大尺度上的物理现象。

  

  但是,我们也发现,在更大的尺度上和更小的尺度上,量子力学和相对论也出现了没办法解释的问题,这得等到未来观测技术发展,让我们可以轻易地得到这些尺度下的物理学现象,科学家就有可能再提出新理论来补充。

  

  但无论如何,纵观整个科学理论的发展,你会发现,量子力学、相对论和牛顿力学,也就是新的理论和旧的理论之间的关系并不是谁对谁错。而应该是,新理论要兼容旧理论。

  量子力学和相对论之所以能够被科学家们所接受,首先是它们能够解释得了宏观低速下的世界(也就是牛顿力学之前描述的世界),并且准确度不能低于牛顿力学。

  实际上,也确实如此,同样是运动学和引力的相关问题,相对论的描述得到的结果精度要比牛顿力学更高,但是在宏观世界下,这个精度也仅仅在小数点后15位左右才能体现出来。而量子力学也同样适用于宏观低速的世界,精准度也要高于牛顿力学,同样的这个差距也仅仅是在小数点后十几位才体现得出来。

  因此,从这个角度上看,牛顿力学,量子力学,相对论其实都是坚实科学理论,后两者在宏观低速下的世界中兼容了牛顿力学。

  除此之外,量子力学和狭义相对论还是实现了“联姻”,也就是量子场论。

  

  至于量子力学和广义相对论,科学家目前还没有找到如何将两者统一起来的方法,但这并不意味着不可以实现统一,实际上,科学家依然在试图寻找统一两者的办法,或许在未来就可以做到。

  所以,从这些角度上看,我们就会发现,各个理论之间的关系是可以相互兼容和统一的,而不是割裂的,相互否定的。

  量子力学的观念

  那量子力学和经典物理有没有什么不同呢?

  实际上,也确实有,这个不同来自于世界观的不同,或者我们说是观念的不同,这起于普朗克提出“量子”概念时带来的变化。

  

  在经典物理学的世界观下,这个世界的变化是连续的,意思是你从1楼坐电梯到5楼,整个过程是均匀的上去,这中间不存在最小的变化单位。

  但在量子力学的世界观下,这个世界的变化是非连续的。意思是说,存在最小的变化单位,你每一次变化都是这个最小单位的整数倍。

  因此,在量子力学当中有个普朗克时间和普朗克距离的概念,这就是时间变化的最小单位和距离变化的最小单位。

  

  也就是说,如果你坐电梯上楼,你上升的变化至少是普朗克长度的整数倍,不可能出现小于普朗克长度的变化,所以,你不是连续上升的,而是以普朗克长度的整数倍在提升高度。

  因此,量子力学和牛顿力学最大的区别就在于观念上,量子力学认为变化是不连续的,而牛顿力学认为变化是连续的。

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