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一切宇宙真相 不过是数学模型
发布时间:2021/4/15  阅读次数:573  字体大小: 【】 【】【
  一切宇宙真相 不过是数学模型
     量子科学  量子科学  公号

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分子球棍模型


          为形象地描述科学研究对象的本质联系,科学家会以物质的形式来建立一个模型。大家还记得在中学上化学课,老师展示的化学分子球棍模型吗?那就是物质形态的模型。如果把具体的物质模型换成数学公式或文字描述,就变成了理论模型。建立模型现代科学常用的一种研究方法。


          人类构建理论模型,一般都是从经验到的表象开始。例如,人类通过观测月亮和太阳的运行轨迹,建立起日月星辰围绕地球旋转的宇宙模型。


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天圆地方宇宙模型


          对于宏观世界的事物,人类的感官可以直接或借助工具观测,理论模型和事实真相容易区分。但是,对于微观世界的事物,人类的感官无法直接观测,借助的观测工具也会对被观测对象造成巨大扰动,理论模型和事实真相就不好区分了。就拿原子模型来说,英国自然科学家约翰·道尔顿提出了原子的实心球模型,人们便认为原子就是一个不可再分的坚硬实心小球;J.J.汤姆森提出原子的葡萄干圆面包模型,人们便认为原子就像一个葡萄干圆面包;英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验,提出了原子结构的行星模型,人们便认为原子就是一个缩小版的太阳系,直到现在还有很多人还在信奉行星模型。原子毕竟还可以通过它的一些宏观效应来进行观测,一旦进入亚原子尺度,我们基本上只能依靠数学模型去想象和把握了。如在量子真空涨落之中,虚粒子瞬间产生瞬间消失。虚粒子本身就是一个科学理论模型,至于虚粒子究竟长得像什么样子,谁都没有办法去观测。


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人们一度认为原子就是一个缩小版的太阳系


          在微观量子世界,数学模型是必不可少的工具。由于人类感官的局限性,只能借助数学模型,去理解那个极端微小的世界。量子论无疑给人类带来了一个全新的世界观,在这个新的思维范式之中,以前的经验和常识成了革命的牺牲品,原本方便好用的认识指南针——感觉和知觉——似乎经常处于失灵状态。


          科学理论是世界的基本模型,许多科学名词描述的是模型而不是实在。例如黑洞,谁也没有看见过,它会不会向外辐射能量,人类目前还无法测量,只能做数学论证。


          科学理论模型旨在描述实在,但并不构成实在。一个理论模型,无论现在我们认为它多么精确地描述了宇宙万物,但不能排除将来会有一个全新的发现。我们现在认为在“地月系”中,月球作为地球的卫星,月亮围绕地球中心旋转,已经是显而易见的事实。然而有科学家通过观测计算,发现月亮并不是围绕地球的中心旋转,而是月球和地球共同围绕着另外一个中心旋转,这个中心距离地球的中心很远;月球是地球的伴星,而不是卫星,或者说月球是地球的兄弟,而不是地球的儿子。当然,我们对地球质量中心的测量,本身也还是一个约数,并非百分之百的精确。月球究竟是地球的兄弟还是儿子,需要观测技术的进一步发展。


          科学离常识越远,就越难区分理论模型和事实真相。就像场理论,开始只是一个纯粹的数学模型,发展到量子场论之后,认为“场”是真空的基态,而物质是“场”的激发态,“场”被赋予物质的内涵。至于这神秘的“场”长得像什么样,谁也看不见。


          科学理论模型不是僵死不变的东西,它会随着人类观测技术的进步而不断修正或变换。例如,对地球在宇宙之中的位置认识,起初人们认为地球是宇宙的中心,并建立起一个“地心模型”;随着望远镜的发明,人类发现太阳才是宇宙的中心,并建立起一个“太阳中心模型”;很快,人类发现太阳也不是宇宙的中心,甚至认为宇宙根本不存在一个中心。


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大爆炸宇宙模型


          一个科学理论,不管它看起来多么美妙,也不管它的创立者是多么的伟大,只要它不符合观测和实验,就必须被否定。


          科学理论模型不是固定不变的,它需要在人的认识过程中不断完善,得的模型将使人们获得对客体的进一步的认识。


          科学模型也不是唯一的。由于人们对同一问题可以从不同的方面、用不同的方法认识,因而就会根据不同的假说和理论建立起各种不同的模型。在科学实践中,通过不断地对比,那些不能很好地反映客体本质属性的模型,将被逐渐淘汰。


          道,可道也,非常道也。我们自以为了解宇宙真相,其实只是数学模型。特别对微观世界,我们看不见摸不着,往往误以为模型就是真实。

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