人類在開始探索世界的時候,就會抬起頭看到天空當中無數的繁星。在古希臘,人們對於行星的研究誕生了幾何學,而且建立一整套複雜的解釋體系。天文學的驗證需要模型體系的搭建,面對遙遠的宇宙,在不能做實驗的情況下,對於宇宙的想像容易陷入路徑依賴,最終把某一理論發展到極致,之後就陷入了死胡同。這個時候,科學就需要顛覆式創新。
尋找祝融星
17世紀,人類迎來天文學研究巨大突破,牛頓萬有引力橫空出世。此時的天文學不但可以觀測,還可以更加準確地計算,之後人們不斷完善天文物理學的模型,然後再用觀測的方法,去驗證這些模型。
如果驗證錯誤,那麼說明這個理論模型是有紕漏的,或者說底層的原理是有錯誤的。比如之前人們提出地心說,該理論認為所有的星球,包括太陽、月亮,都是圍繞地球旋轉的,地球是整個宇宙的中心。
這套理論曾經流行很多年。很簡單,這個理論很直觀,我們站在地面上,確實感覺不到地球在轉動,而且清清楚楚地看到日月星辰在圍繞著我們轉動。
但是文藝復興之後,日心說又取代了地心說,此時人們認為太陽是宇宙的中心,地球、海王星、冥王星包括月亮都要圍繞太陽旋轉,此時宇宙學已經突破了人們的直覺。那麼為什麼會圍繞太陽旋轉?為什麼還要在特定軌道上呢?
其實萬有引力從一開始就是為了解答這些宇宙問題的,而不是解釋我們日常生活問題的。如果你拿著兩個重量足夠大的鐵球,放在光滑的桌面上,為什麼沒有因為萬有引力,兩個球碰撞在一起呢?實際上萬有引力是反生活常識的。
牛頓所有的觀察都來自太空,他發現行星圍繞太陽,只受到太陽引力的拉扯。自己旋轉的同時,還要受到太陽引力的影響,因此會呈現出橢圓形的軌道,而不是一個標準圓。牛頓再接再厲,還計算出了彗星的軌道,並且成功計算出未來彗星會在什麼時間出現。
這個發現,在當時無異於石破天驚的,對當時世人造成非常大的震撼。站在未來的視角,可能我們覺得G=mg比較偉大,但是遠不如彗星給當時世人造成的衝擊要大。就像未來我們看愛因斯坦的質能方程E=mc²,肯定要比原子彈爆炸要偉大,但是原子彈在二戰時期的影響力要遠勝質能方程。
後來天文學家勒維耶發現天王星運行軌跡有些異常,如果按照萬有引力理論,除了太陽之外,肯定還有一顆行星在干擾天王星。隨後勒維耶計算出了這個未知行星的位置,伽利略用望遠鏡成功發現了這顆行星,這就是海王星。
牛頓的萬有引力,無數次被驗證,所以之後百年的時間,人們對於牛頓的理論深信不疑。不但擁有自洽的邏輯,還能預測未來。
之後天文學家把目光聚焦到水星上,如果按照萬有引力,水星的軌道和實際觀察到的軌道是有偏差的,按照海王星的案例,那麼水星異常肯定因為水星和太陽之間,還存在著一個未知的行星,它的引力干擾了水星。當時人們把這個未知的行星,稱呼為祝融星,源自羅馬神話鍛冶之神「Vulcanus」。
人們認為它離太陽更近,也一定更熱,是一個火山的世界,因此用神話當中火神來命名。祝融是三皇五帝時期,被任命的火神,因此翻譯成中文就是祝融星。
全世界的天文學家,花費了近半個世紀的時間,一直在尋找這個祝融星。時常有新聞報道,稱發現了祝融星,可是隨後又報道,丟失了目標,祝融星總是和這些天文學家們躲貓貓,水星軌道的異常,一直沒有得到解決。
瑞士的兩名天文學家,甚至認為太陽黑子就是祝融星;美國、阿根廷等很多地方的天文愛好者都發布了關於祝融星的照片,隨後都證明不過是太陽黑子。
愛因斯坦如何殺死祝融星的
為什麼天文學家會集體犯錯呢?這就是一種路徑依賴的思維定勢,因為之前人們用萬有引力解釋了無數的天文現象,而且用萬有引力驗證了各種猜想。整個天文學幾乎都是構建在這套理論體系上的,如果牛頓萬有引力錯誤,那麼整個理論體系的大廈有可能就坍塌了。
但是天文學又是一個依靠觀察驗證的理論體系,之前的觀察不成立,那麼就有可能是這套理論體系是錯誤的,就需要一套新的解釋體系。愛因斯坦認為,如果離太陽比較近,受到太陽引力很大,因此速度更快,此時我們不能用牛頓理論來處理。
而且此時愛因斯坦對引力進行重新解釋,他認為引力是時空的扭曲,就像我們扯著一個床單,如果我們把球放到床單上,就會產生凹陷,太陽質量造成周圍時空的彎曲。如果我們在床單上放上小球,那麼這些小球就會在凹陷處旋轉。
所以如果遠離太陽的時候,我們用牛頓萬有引力,計算結果是非常接近的,但是如果靠近太陽,這個偏差就會非常大。就這樣,愛因斯坦徹底否認了祝融星的存在,認為科學家們完全沒有必要找它,因為它根本就不存在。此時天文學家們稱,愛因斯坦殺死了祝融星,並遭到無數天文學家的抵制。
天文學家可能是最保守的一個群體。天文學家的保守當然也不是壞事。這種保守,最大程度地保證了整個天文學理論體系的可靠。反過來說,一旦出現全新的現象,過去一切經驗都無能為力的時候,天文學可能就會出現完全意料之外的顛覆式的創新。
愛因斯坦的這套時空彎曲理論,也同樣需要去驗證。如果有一道遙遠恆星的光線路過太陽的時候,是不是也會發生彎曲呢?在日常環境下,我很難觀察到的,因為太陽的光線實在是太強了,掩蓋了其他恆星照射過來的光,只有發生日全食的時候,我們才能夠觀測得到。
人們趁著日全食短短几分鐘內,驗證了愛因斯坦理論的正確。這個困擾天文學近半個世紀的問題,最後終於真相大白。
理論是如何被顛覆的
在古希臘,人們關於地心說有一套完整的解釋體系,應用這套解釋體系,可以把觀察到的現象完美進行解釋。來到牛頓時代,人們又根據牛頓的這套理論體系,完美計算出這個宇宙的運行規律,整個宇宙似乎盡在掌握。
上個世紀50年代,人們用量子理論去解釋宇宙問題,認為整個宇宙都是各類粒子組成的。不僅物質是由粒子組成的,力也是粒子之間交換而產生的。比如說兩個電子碰撞的時候會產生電磁力,那是因為交換了光量子;還有產生強核力的 π 介子,產生弱核力的 W 玻色子,總之,所有一切都可以用粒子來解釋。
到了80年代,量子理論幾乎主宰了物理學界,量子物理的標準模型也建立起來,和古希臘,牛頓時期一樣,人們把所有問題都要從粒子角度去解釋。而且量子理論的標準模型,也是目前最高精度的物理學模型,幾乎可以完美解釋一切實驗數據。
可是人們在原子對撞機當中發現了越來越多的粒子,這些海量的實驗數據雖然驗證了量子理論的正確性,但是也把物理學家們搞暈了。
因為在標準模型當中,關於基本夸克就有36種,如果再把不同夸克組合為不同粒子,這個組合數實在是太多了。即使是量子理論的研究者,他們也在懷疑標準模型是否為終極理論。
這個模型除了複雜之外,它還無法描繪萬有引力,這個在17世紀就發現的物理現象,而且標準模型所依靠的廣義相對論,量子理論和廣義相對論這兩大當代物理學的支柱理論還是沒能結合起來,量子理論的自洽性,還不古希臘時期的地心說。
20世紀80年代,人們提出了「十維超弦理論」,也就是人們俗稱的弦理論。弦理論提出,如果把粒子放大到一萬億倍,你就會發現這些粒子不是由一個個點組成的,而是一條正在振動的弦。就像我們吉他上的弦一樣,你只要按住不同位置就可以發出不同聲音。
因此即使是同一根弦,也能夠彈出不同的音。所以振動的弦能構成無窮多的物質形態,這就解釋了自然界中粒子的豐富性。弦理論真正的魅力,在於它有可能把廣義相對論和量子理論結合到一起,人們又一次實現了邏輯的自洽性。
你發現了沒?物理學上的重大的顛覆式創新出現之前,傳統的理論都達到了登峰造極的高度,都可以解釋一切。這種情況特別提醒我們深思。每當物理學可以解釋一切的時候,我們必須警惕,是不是當前的理論已經陷入了死胡同,是我們自己在原地打轉,根本沒有辦法跳出去看到新的可能性。這種時候,可能就是顛覆式創新的緊要關頭,這種時候物理學必須通過全新的理論體系才能重生。