【思考】人類在地球上得到的物理規律,為啥能夠放之宇宙而皆準?

本文基于回答網友問題:為什麼物理學家相信地球上的物理規律推廣至宇宙范圍還能成立?

我的回答是:不是物理學家相信不相信的問題,而是事實就擺在那,由不得誰相信不相信。物理學家只不過是一群發現規律并研究規律的人罷了,除了物理學家,還有許多科學家也在發現和研究規律,如天文學家、地理學家、化學家、生物學家等等。

這些發現和研究規律的人們,本來就不只是局限于地球,許多發現本來就是從宇宙中來的。宇宙是什麼,是我們認知的所有,包括地球上的一切,因此,即便在地球上發現的,也是宇宙的一部分。

人類對地球和宇宙的觀測、探索得到的認知,只有符合自然規律的才叫科學,如果只是從表面現象去了解,然后牽強附會得到的認識,如果不符合自然規律,就不是正確的認識。因此,只要是真正的科學發現就是對自然規律的認識,都是推廣至宇宙范圍還能夠成立的。

隨便舉幾個例子:

1、愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,是迄今為止對宇宙運動規律最深刻和最準確的解釋,狹義相對論是通過光速極限和光速不變原理,論證了時空物質三者不可分割的統一性和相對性;廣義相對論是通過建立引力場方程,論證了質量會導致時空彎曲,由此形成的各種效應。

這些內容解釋起來很復雜,但其中的幾個論斷比較具體。

一個是狹義相對論中的速度時間膨脹效應,說的是速度與時間的關系,又叫鐘慢效應,就是速度越快地參考系里時間流逝得越慢,反之越快,遵循的公式為:t‘=t/√[1-(v/c)^2]

這里,t‘表示時間膨脹效應值,t是低速系或者說我們地球上觀測者的時鐘,v為第二個時鐘相對低速系時鐘的移動速度,c為光速。

有很多人認為這只是想象,因為這種效應在速度接近光速時才能夠明顯,而人類現在旅行的速度很慢,不要說接近光速,就是光速的百分之一也無法達到,這樣就既無法在地球更無法在宇宙中驗證這種效應。

其實這種效應早就驗證過了,所有驗證都精準符合愛因斯坦速度時間膨脹效應公式。如GPS導航系統,就必須運用相對論時間膨脹效應公式調整高空衛星和地面時間,才能讓導航精準;在飛往星際的探測器上,同樣需要這種調整,才能到達目標。

在微觀粒子領域,由于其運動速度快,就更能驗證這種效應了。μ子是一種輕子,質量約為電子的207倍,在實驗室中μ子的平均壽命只有2.197μs,也就是0.000002197秒。當宇宙射線轟擊大氣層時,會有一定量的μ子產生,但由于其壽命太短,理論上是無法到達地球表面的。

但事實上,科學家們還是在地球表面檢測出了許多μ子留下的痕跡,這是為什麼呢?其實就是由于μ子速度接近光速,時間膨脹效應讓其壽命大大延長,它們才能夠到達地球表面留下痕跡。

另一個例子是廣義相對論的時空彎曲理論,就是在質量作用下會導致時空彎曲,質量越大時空彎曲得越厲害,光線也會順著彎曲的時空前行。早在廣義相對論出台不久的1919年,著名天文學家愛丁頓就率領遠征隊,特意從英國前往遙遠的非洲,通過觀察日食驗證了經過太陽這個大質量天體附近時的星光的彎曲情況,經過計算,彎曲度與愛因斯坦場方程計算相符。

隨后,廣義相對論的理論預言一個個被證實,如黑洞被發現,就是時空彎曲達到無限曲率的例子;還有著名的水星近日點進動問題,也符合理論預期;引力透鏡、引力波、引力紅移、引力時間膨脹效應等等相繼被發現和驗證,都證明了無論距離我們多遠,宇宙天體都受到這個規律控制。

2、現在的化學周期表上有118種元素,其中自然界存在92種,人造元素26種,這118種元素在宇宙任何地方都適用。現在人類的探測器已經到達過太陽系所有行星,還到過一些矮行星和衛星,通過分析那里的大氣和地質狀況,不外乎都是由這些元素組成。

人類的探測器雖然還無法飛到太陽系以外,但望遠鏡已經能夠看到距離我們135億光年的地方,也就是135億年前的宇宙,那時還是宇宙剛誕生不久,通過光譜分析,宇宙所有能見天體也是由已經發現的這些元素組成。

為什麼人類能夠通過觀測,得到遙遠物質的成分呢?這是因為科學家們可以在實驗室模擬各種宇宙環境,如在強子對撞機中得到10萬億度的高溫,模擬了宇宙大爆炸萬億分之一秒時的狀態;也能夠在實驗室得到各種元素在不同環境溫度下的光譜標準,就可以套用在對遙遠距離天體的觀測上。

3、地球演化和生命進化,也受到宇宙大環境的制約。人類在地球上發現的任何事物或規律,都不是地球上孤立存在的,而是與宇宙演化這個大環境息息相關,并受到其制約。因此現在研究的地球構造、環境氣候、生命起源與進化等所有學科,都不能不與宇宙演化結合起來。

現代宇宙標準模型認為,宇宙誕生于138億年前,太陽系誕生于46億年前,地球隨著太陽系同時誕生,生命在40億年前左右出現,生命從最原始的原核單細胞,分化進化到如今千姿百態的動物、植物、微生物物種,每一步滅絕和再生,都與太陽系的運動導致地球環境變化有關。

所以,地球上發現的一切規律,都是宇宙規律的一環,當然就能在整個宇宙適用了。


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