在過去的日子裡,我們人類通過不斷地觀察、總結和思考,逐漸發展出了一個龐大的科學理論體系,這些科學理論有助於我們更好地理解宇宙萬物,也一直在推動著人類文明的進步。
然而並不是所有的科學理論都能被人們輕易認同,甚至有一些已被證實的科學理論,卻仍然很難令人接受,因為太反直覺了,下面我們就來看三個具體的例子。
空間是一個相對比較抽象的概念,通常我們將其定義為物質存在、運動的場所,在過去的很長一段時間裡,人們都認為空間不會隨任何外部的作用或觀察者改變,但著名的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦,卻提出了一種反直覺的科學理論。
他指出,空間是一種物質客觀存在形式,並且在特定的條件下,空間還可以發生彎曲,例如任何具有質量的物體,都可以讓空間發生彎曲,質量越大,空間彎曲的程度就高。
儘管該理論在提出之後遭到不少的質疑,但也有一些人對此表示認同,物理學家亞瑟.斯坦利.愛丁頓就是其中之一,他認為,根據愛因斯坦的理論,像太陽這樣質量巨大的天體,應該可以讓空間發生可觀測得到的彎曲,所以當其它恆星發出的光線在經過太陽附近時,就會因為空間的彎曲而發生偏折。
為了驗證這種理論,在1919年的時候,愛丁頓帶領他的研究團隊,利用一次日全食的機會,在非洲和南美洲測量了太陽所在天區附近的恆星,在經過大量的對比之後,該團隊發現,這些恆星的位置與日面的確存在著一定的偏差,並且這個偏差的幅度與愛因斯坦的理論預測值相符,而這也是人類首次證實了空間可以彎曲。
在接下來的時間裡,該理論又被多次證實,一個最直接的證據就是科學家在宇宙中觀測到的「引力透鏡效應」。
簡單來講,如果在觀測者與目標天體之間存在著一個大質量天體,那麼目標天體所發出的光線,就會在經過大質量天體附近時發生彎曲,這樣一來,觀測者就會觀測到更多來自目標天體的光線,同時還會因此看到一個或多個由光線彎曲而形成的虛像,由於這種現象與透鏡對光線的折射作用類似,因此就被稱為「引力透鏡效應」。
時至今日,科學家早已確定了「引力透鏡效應」在宇宙中真實存在,科學家甚至還可以利用這種效應對宇宙深空進行探索。
這個理論同樣是愛因斯坦提出的,其內容可以簡單地描述為:時間流逝的速度並不是一成不變的,對於一個特定的物體而言,它的速度越接近真空中的光速,或者它受到的引力作用越強,那麼它所經歷的時間就越慢。
可以看到,這樣的描述是相當反直覺的,然而該理論卻已得到了證實,比如說在進行過多次的「飛行原子鐘實驗」中,科學家將高精度的原子鐘放置在飛機上,然後讓飛機圍繞著地球飛行,在飛行結束後,再將飛機上的原子鐘與地面上的原子鐘進行對比,看看兩者的時間是否存在差異,而實驗結果都與理論值相符。
又比如說科學家發現,當宇宙射線與地球的大氣層發生相互作用時,會產生一種被稱為「渺子」(μ子)的微觀粒子,由於這種粒子的平均「壽命」只有2.197微秒,會在極短的時間內發生衰變,因此它們原本應該無法抵達地球表面,然而事實卻是,我們在地球表面經常會探測到這些「渺子」的蹤跡。
為什麼會這樣呢?原因就是,這些「渺子」的速度接近光速,其經歷的時間也因此變慢了很多,所以它們才有機會抵達地球表面。
除此之外,現在我們經常使用的衛星定位系統,也可以證明時間確實會變慢,因為衛星的速度快、並且它們所受到的地球引力比地球表面更小,這會導致衛星經歷的時間比地球表面更慢,所以衛星定位系統都會藉助愛因斯坦的理論來進行校正,不然的話,每12小時就會出現大約7米的偏差。
這個理論來自量子力學,其內容簡單來講就是,根據不確定性原理可以推導出,宇宙中的能量會不斷地出現極為短暫的漲落,這會持續地激發出正負粒子對,這些粒子總是會一對一對地出現,然後在非常短的時間內湮滅。
這種現象被稱為「量子漲落」,根據該理論的描述,「量子漲落」在宇宙中無處不在,就算是真空也不例外,也就是說,真空並不「空」,其中隨時都存在著「無中生有」的物質。與前兩種科學理論相比,這樣的描述可以說是更加令人難以接受,然而該理論同樣也得到證實。
早在1948年的時候,物理學家亨德里克·卡西米爾就設計了一種實驗,根據他的設想,假如把兩片非常薄的金屬箔平行置入真空之中,然後讓它們互相靠近,那麼當距離足夠近的時候,兩片金屬箔之間的「量子漲落」就會因為受到限制而小於外側的空間,如此一來,外側的「量子漲落」就會對金屬箔產生向內的推力。
這種現象被稱為「卡西米爾效應」,其產生的力被稱為「卡西米爾力」,由於該實驗要求的精度很高,需要嚴格排除電磁力、引力等其他因素的干擾,因此直到1996年,科學家才首次成功地完成了這個實驗。
實驗結果表明,「卡西米爾效應」確實存在,並且實際測量的結果與理論值的誤差小於5%,在10納米的間距,兩片金屬箔受到的「卡西米爾力」大約相當一個標準大氣壓。
在此之後,這個實驗又被多次重複進行,科學家將金屬箔替換成了其他材質的箔片(比如說矽片),同樣也會產生「卡西米爾效應」,而這也就意味著,在微觀世界中,物質確實可以「無中生有」。