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既然相對論是對的,經典物理學有錯誤,為何高中還要學錯的東西?

在高中階段,我們所學的物理學都是經典物理學,無論是牛頓運動定律,還是牛頓萬有引力定律,都屬於這個範疇,牛頓是開山鼻祖。牛頓的經典物理學是建立在絕對時空觀的基礎上,認為時間和空間是獨立存在的,並且這兩個引數在任何參照系中測出來都是一致的,時空是絕對的。

然而,與經典物理學相反的是,愛因斯坦的相對論則是得出了相對時空的結論,認為時間和空間是統一的,並且這兩個引數在不同參照系中測出來是不一樣的,時空是相對的。

時至今日,物理學家還在透過各種高精度的實驗來證明相對論的正確性。此前,直接探測到的引力波和捕捉到的黑洞照片都是相對論的強有力證據,但這些現象無法被經典物理學所解釋。

既然相對論被證明是對的,這意味著基於完全相反時空觀的經典物理學存在巨大的缺陷,為什麼我們還要在高中學習錯誤的東西呢?

事實上,這個問題對物理學理論有著很深的誤解。物理學理論並沒有絕對的正確,或者錯誤,只能說它們的適用範圍是不一樣的。這就好比在初中時,根號-1是沒有意義的。到了高中,學過複數之後,根號-1等於虛數單位i。

經典物理學並非憑空想象出來的,而是物理學家對於自然規律的一種總結,用數學工具加以規範。正因為如此,經典物理學可以很好地描述我們生活中的各種物理現象。事實上,就連火箭發射這樣對精度要求非常高的情況,用經典物理學就足夠了。

倘若速度接近於光速,或者引力效應非常強,經典物理學就無能為力了,其描述精度與實際觀測結果會出現較大的偏差,這個時候就會用到愛因斯坦的相對論。很多實驗已經證明,相對論能夠準確描述亞光速和強引力場下的情況。

當然,相對論也能用於描述宏觀低速和弱引力場的情況。但相對論的數學模型比較複雜,日常生活中用起來很不方便。為了提高完全可以忽略不計的精度,用相對論得不償失。

在日常生活中,經典物理學的精度已經足夠高,沒必要用相對論。這就好比圓周率是無理數,人類已經計算到小數點後的31。4萬億位,但我們平時只用幾個小數位就足夠了,就算是航天精度也只要幾十位。

因此,我們並不能說經典物理學是錯誤的,只是這套模型的適用範圍有限。相比之下,相對論的適用範圍更廣,不但可以像經典物理學那樣描述低速弱引力場的情況,而且還能描述經典物理學所無能為力的高速強引力場情況。

同樣地,相對論也不是萬能,也是有適用範圍的。一旦物理條件達到極端的程度,例如,奇點,相對論就會完全失效。這意味著必定還有適用範圍更廣的理論,它不但能描述相對論效應,而且還能描述超越相對論的東西。