魔鬼在细节中

作者 李淼 摘自《新发现》2011年第1期

西谚有句话:魔鬼在细节中(the devil is in the details)。说的是不论你做什么,要小心考虑到所有的细节,否则不知哪里就会出麻烦。据说原话是上帝在细节中,后来估计考虑到捉弄人的只有魔鬼,就改成魔鬼在细节中了。做科学研究,这句话尤其重要。我在美国做博士后时,就经常听到这句话。

一个年轻人,如果经常嘴里说出大词,就很值得疑心了。往往他在哪里读了一本半本书,没学到重要的细节,成天就将大词挂在嘴上,如果你追问一点儿细节,很快就露馅。这样的人,是不可能做科学研究的,因为科学上往往就那么点细微的区别,导致结果的完全不同。另外,科学和所有需要技艺的领域一样,最重要的是手艺,而手艺就是一个一个处理细节的能力的总和。

爱因斯坦的广义相对论是一种引力理论,认为万有引力其实是时空弯曲的结果,这和牛顿的万有引力理论不同。后者认为时间和空间还是正常的欧几里德空间,但物体之间存在着与距离平方成反比的引力。在寻常的现象中,例如太阳系中,两种理论的计算结果并没有多大不同。例如,著名的水星近日点进动,说的是水星环绕太阳轨道的近日点随着时间会变化,但变化非常小,每个世纪只变化5601角秒,牛顿的万有引力理论可以解释其中的大部分(计及其他行星的影响),还剩下43角秒牛顿理论无法解释。爱因斯坦在完成广义相对论后,用他的理论计算出了这个偏差。两种理论在表面上完全不同,而差别却精细到如此地步。据说爱因斯坦在得到这个结果后激动得无法工作。

还可以举出很多魔鬼在细节中的例子,例如量子场论预言的电子磁矩与简单的量子力学的预言差别也很小,实验上可以检验。

当然,很多理论的不同也往往表现在质的方面,而不仅仅在微小的量上。典型的例子当然是伽利略原理与亚里斯多德力学的区别。亚里斯多德认为,一个物体要保持其运动需要力的推动,而伽利略惯性原理说恰恰相反,一个物体要保持匀速运动不能接受任何力的作用。本来这是很好检验的两个截然不同的理论,但地球上存在的大气阻碍了人们认识到正确的理论达两千年。大气的摩擦起了阻力作用,所以一个物体要保持匀速运动就需要一个力来平衡摩擦力。而且,摩擦力往往与物体的运动速度成正比,我们需要的额外力也就与运动速度成正比了。所以亚里斯多德并没有错,但他需要强调他的力学只在大气中是成立的。如果没有大气,两个理论有质的不同。有了大气,两个理论的不同反而体现在细节上,即物体受到大气的摩擦力与速度成正比。

现代物理中也有两个不同的理论虽然是本质的不同,有时也只体现在细节中,前面举的两个引力理论是这样的。在太阳系中,两个理论差别不大,但在引力场强的情况下,两个理论会完全不同,例如非常致密的天体,黑洞,等等。亚里斯多德与伽利略如果到没有大气的太空中去争论,谁是正确的很容易判别。我接下来感兴趣的是,我们能不能用看上去质的不同的现象,来判别有时差别很精细的理论?

例如,传统的热力学与统计物理在预言上往往没有太大的差别,它们都有热力学三定律,例如熵增大定律。统计物理假定一切宏观的热力学现象有其微观基础,都是分子原子的热运动造成的。但是,在宏观尺度上,我们看不到分子和原子,所以这个假定在19世纪很难用实验去验证。后来,爱因斯坦和斯莫卢霍夫斯基通过研究得出结论,布朗运动就是分子运动的体现,一个悬浮在液体中的微粒得到来自不同方向上的分子撞击,某个时刻所受的力的方向和大小是随机的,所以产生了布朗运动。他们指出,测量布朗运动就可以测出阿伏伽德罗常数(即12克的碳中含有碳原子的数量)。布朗运动是很容易观测的物理现象,这是一个质变的现象,这个现象却可以用来证实分子原子理论。

量子理论与经典理论的差别也很细微,只有在微观尺度上才体现出来。但电子衍射实验就能明显地证明量子论是正确的。更加质的不同预言是,在量子论中,原子和分子是稳定的,而在经典理论中,原子和分子不稳定,也就是根本不存在!

话赶话就说到当下的一个基本理论了。例如,超弦理论是最流行的量子引力理论以及统一理论,但超弦理论的特征尺度更加小,可能小到10-33厘米。用我们现存的技术根本无法探测这么小的尺度,我们到底能不能验证(或证伪)超弦理论呢?很多人认为这是不可能的。但是,美国《今日物理》杂志2010年11月号上有一篇Gordon Kane的文章,题为《String theory and the real world》,作者的观点完全不同。Kane以持“地球上进行的实验完全可以验证弦论”的观点著名。他认为,弦论中存在一些本质不同的预言,不需要很难实现的实验就能验证。例如,他认为,不论弦论的解如何,这个解中总存在一种比较轻的标量粒子,在宇宙年龄大约为0.01秒时衰变,衰变的产物包含暗物质。在这个时刻,宇宙处于非热平衡状态。这就是弦论在质的方面的不同预言。

另一个引力理论就是熵引力,我们认为,宇宙中的物质其实都包含一些潜在的看不见的熵。将这种暗熵释放出来,是验证熵引力理论的重要手段。

读后感:作为一个物理教师,看到上面的这些有关物理的内容还是很亲切的,至少都知道,但再深入下去就超出了一个高中物理教师的能力了。留下最深刻印象的是这句:“一个年轻人,如果经常嘴里说出大词,就很值得疑心了。”,深表赞同,如果有专家作报告时经常蹦出一些高深的理论用语(就像小白领看似不经意间嘴中漏出的英文),我往往在内心中就会对他的水平打个大大的问号。

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发布时间:2011/5/20 14:51:25  阅读次数:4525

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