相对论推翻了牛顿力学吗？

    一，理工科大学生也在糊涂中
    在中国，许多人都坚定地认为：“相对论和量子力学的出现推翻了牛顿力学，证明一向正确的牛顿力学原来是错误的。”比如《中国古代哲学与自然科学》这部专著这样说：
    “相对论、量子力学的出现像一场强烈地震，老的科学观坍塌了，原来以牛顿为代表的科学体系并不是绝对真理！科学与正确并不相等。”“等着人们唱赞歌、送鲜花的牛顿科学，却被新的事实证明是错误的。”
    这部书的作者出身工科大学，后为社科院宗教专业硕士和博士，按理说也应该学过一些物理学，但看起来并未学懂学透。连学历如此之高的学者都稀里糊涂，可想而知，在中国绝大多数知识分子可能都是这种糊涂看法，如果不澄清问题真的很严重。
    当然，他的看法并非毫无根据，只是太过陈旧罢了。
    在牛顿时代，包括牛顿自己都认为牛顿力学就等于绝对真理，就等于正确。二十世纪的第一个春天，著名物理学家开尔文在《新年献词》中也认为牛顿力学没什么可修改的了，他说：“科学大厦已经建成，后辈物理学家所能贡献的仅仅是一些零星的修补工作而已。不过，在物理学的晴朗天空的远处，还存在两朵‘乌云’。”
    他所说的这两朵乌云是“黑体辐射”和“以太实验”，正是对这两朵“乌云”的研究，分别导致了量子力学和相对论的产生。从而证明：在高速（可与光速比拟）和微观（基本粒子量级）状态下，牛顿力学并不适用。这时应该用相对论和量子力学。
    于是，牛顿力学的确被证明不再是绝对真理，“科学大厦”看起来似乎真的坍塌了。
    实际上，经过这一场大地震，“科学大厦”并没有坍塌，而是整个物理学界有了翻天复地的新认识。
 
    二，牛顿力学并没错，不过有个适用范围罢了
    现在的物理学界已经闹清楚，并不是牛顿力学错了，而是它有个适用范围，只适用于宏观和低速状态。那么什么是宏观低速？其实我们一般人能感觉到的世界绝大多数都属于这种状态。
    所谓“宏观”，只要大于基本粒子的尺度都算，比如从细菌到米粒，到日常物品，汽车、房子、动植物，一直到地球、太阳、宇宙，都算宏观，我们一般人谁能感觉到基本粒子？根本感觉不到。
    所谓“低速”，只要不快到与光速比拟就行，比如从动物的运动，一直到飞机、炮弹、宇宙飞船，都算低速，我们一般人谁能感觉到与光速比拟的速度？根本感觉不到。
    所以，在我们一般人生活和感觉到的这个世界中，仍然得用牛顿力学，它一点儿没过时，一点儿不错误。
    举个例子，我们的米尺适用于日常生活，如果要量一间房子的大小，我们仍然得用它。虽然我们也还有“纳米”甚至“埃”这样非常精密的小“尺子”，但它只适合于测量分子、原子、质子这样的东西，日常生活中根本没法用。不是说只要有了“纳米尺”“埃尺”，米尺就错了，就不能用了。
    我们现在所有的交通工具、生活用品仍然全都遵从牛顿力学，我们设计汽车、舰船、飞机、桥梁、楼房，还得老老实实按照牛顿力学原理来设计。

美女也能证实牛顿力学
 
    如果牛顿力学真的“错了”，飞机要掉下来，轮船要沉底，我们的衣服没了摩擦力，全都得散架，甚至连人体也得散架，月亮得飞跑，地球得离开太阳系，整个宇宙全都乱套，一切都不存在了。
    所以，牛顿力学仍然是正确的，只是人们发现了它的适用范围罢了。它仍然是真理，只不过不再是绝对真理，而是相对真理罢了。
    这样，人们就上到了一个更高的层次，获得了更高的认识——在一般情况下，我们还得用牛顿力学，只有在一些极端条件下，我们才换用相对论和量子力学。它们三者都是正确的，只是各有各的适用范围罢了。

    三，牛顿力学不过是相对论量子力学的一个特例
    可能许多人对这个说法第一次听说，甚至难以接受。实际上我们只要稍微用一点儿初中数学知识，就能完全明白了。
    大家都知道在相对论中，有一个“尺寸缩短”的有趣现象，也就是说，当物体以极高速度（可与光速比拟）运动时，这时测量它的长短，就会比静止时短，短多少呢？就按以下公式缩短。

    这个公式就叫做“长度缩短率”（还有个“时间变慢”的现象，其变慢率也是这个公式）。对这个公式稍做分析，我们就能知道牛顿力学与相对论差在哪儿了。
    我们看公式中的这一项：（v/c)2，其中c是光速，每秒30万公里，v是物体运动速度，在我们日常生活中，物体速度比光速慢得太多了，绕地球的宇宙火箭是我们能知道的最快物体，也不过每秒8公里，就算每秒10公里，跟光速一比，只有3万分之一，再一平方呢？成了9亿分之一，差不多就是零，所以1减去这个数，跟没减几乎一样。也就是说，对于常见的运动物体，其“长度缩短率”还是1，等于没缩短。
    而这正是牛顿力学的结果，在牛顿力学中，物体运动时测量并不会缩短。只有当运动速度极高，可以与光速相比拟时，（v/c)2这一项才有些可观的数值，长度缩短效果才能看得出来。（按照爱因斯坦的说法，所谓长度缩短只是测量的结果，并非真实缩短。）
    或者说，相对论已经把牛顿力学包括了，这个相对论公式可以同时用于高速和低速物体，只不过高速时才能看出效果，低速时，用和没用效果一样，看不出来缩短。

    所以说，牛顿力学不过是相对论的一个特例，只是在速度很低的情况下，看不出相对论效应而已。
    量子力学其实也一样把牛顿力学包括了，只不过微观情况下能显现出来的效果，在宏观情况下看不出来罢了。
    总的来说，这两种更高级的理论，实际上应用范围更广，不管宏观微观，高速低速，都是通用的，只是在宏观低速情况下，那些效果看不到，所以我们就可以用比较简单的牛顿力学，说到底不过是一个宏观低速下的特例。

    四，科学体系要大于牛顿力学
    那么是不是现在我们有了这三种理论，就已经穷尽了全部真理，宇宙再也没什么更极端的情况了？经过这样一场大地震，人们学乖了，知道再也不能这么绝对了。
    如果以后再发现了新的更高的理论，现在这三种理论在原来的条件下仍然正确，只是在新的条件下也许还要再进行一些修改罢了。
    我再举一个最浅显的例子，比如1+1=2毫无疑问是正确的。但我们知道，在某些特殊情况下，1+1也可以不等于2。
    比如在高等数学中，一个无穷大加一个无穷大，就不等于两个无穷大。比如全体奇数加全体偶数等于全体整数，还是一个无穷大。
    又比如系统论中有句著名的论断：“部分之和大于全体”，1+1就不等于2，这是因为部分之间产生了相互作用，创造出新的效能。
    总之，1+1=2在初等数学中的适用范围内是对的，的确是真理，而超越了初等数学这个适用范围，就有可能不成立。
    我们能不能说，因为发明了高等数学，发现1+1有时候也不等于2，所以原来的1+1=2就错了？显然不能。本山大叔问范伟：“1+1在什么情况不等于2？”除了在“算错了”的情况下之外，超出初等数学的范围时，也可能不等于2。

1+1在什么情况不等于2?
 
    同样，因为建立了相对论和量子力学，发现牛顿定律在某些特殊场合下不成立，难道能说原来的牛顿力学就错了？显然也不能。
    而这位作者似乎很难理解旧理论与新理论的这种辩证统一关系，在他看来，要么就是正确，要么就是错误。
    其实他也在说“牛顿力学现在在宏观领域继续发挥着它的作用。”“但无论如何，科学不能再与正确划等号了。”
    我们可以看出，他所理解的“科学”是一个静止凝固非此即彼的概念，既然牛顿力学是“科学”，现在又发现它“错了”，自然是“科学≠正确”。他把“科学”和“牛顿力学”完全划了等号。
    其实“科学”要大于“牛顿力学”，现在科学家所说的科学是一个永远在变动、修改、补充的知识体系，牛顿力学曾经被实验证明是正确的，所以它被吸纳进科学体系中。以后又发现了相对论、量子力学，也被实验证明，所以也被吸纳进科学体系。
    这样，科学体系就前进了，扩充了，把三者及其各自的适用范围同时纳入科学体系，科学体系就更完整更正确了。当然，如果发现以往真有什么理论被证明是错误的，把它剔出科学体系就是了。所以留在科学体系里的东西，就是被实验证明为正确的东西。所以还是可以说“科学=正确”。
    不是说牛顿力学是科学，别的就不能是科学，牛顿力学只是科学体系中的一部分。
 
    五，燃素论从来就不是科学
    这位作者还举了一个例子，我们从中能更清楚地看出，作者对科学概念的糊涂。
    他说“依照历史主义，相对论是科学，牛顿力学也是科学。被人们抛弃的燃素论、流质论也是科学。物体可燃，是因为其中有可燃的东西，这个思想并不错。”
    总之，他的意思，只要曾经以为是科学，即使以后被证明错了，被抛弃了，仍然是科学。而且更可笑的是，他把燃素论和牛顿力学并列，做为两个同样被证明错了并被抛弃的科学。
    其实这两个理论根本不能划等号，本质完全不同。燃素论确实已经被证明“错了”，确实被抛弃了。而牛顿力学只是发现有适用范围，在范围内仍然是正确的，并没有被抛弃。一个已经被剔出了科学体系，一个仍然留在科学体系中。
    什么叫“燃素论”？并不是“其中有可燃的东西”那么简单。早期人们并不了解燃烧的化学过程，以为物体中含有燃素，以为燃烧就是释放燃素的过程。按照这个理论，燃烧后剩下的灰渣与燃素的重量加起来应该等于原重量，实际上不是这么回事，有机物燃烧后灰渣比原物质要轻，而无机物的灰渣却比原金属还重，他们只好猜测说燃素有浮力或有负重量。后来化学家完全搞清楚燃烧其实是氧化反应，并没有什么燃素。反应前后的重量完全可以通过化学反应方程式算出来。于是燃素论被证明是错的，被抛弃了。

拉瓦西的氧化学说终于揭开了燃烧的本质
 
    燃素论为什么是错的？因为它解释不清楚燃烧现象，前后重量对不上，后来氧化反应已经完全弄清了燃烧的本质，能解释得很清楚，哪种分子变成了哪种分子全都清清楚楚，前后重量算的完全正确。所以它代替了那个错误的燃素论，成为科学。
    而牛顿力学并没有任何理论能代替它，在宏观低速范围内只能用它，而且所以现象都能解释得很清楚透彻，所有计算都跟实际相符。
    所以燃素论已经不能再叫做科学，牛顿力学才属于科学。
    其实认真说起来，燃素论从一开始就不能算科学，因为一开始它就解释得很艰难，牛头不对马嘴，即使到处修补拼凑还是不对头，解释了有机物就解释不了无机物，总是统一不起来。它从来没有被实验数据完全证明过。所以它从头到尾只能算一个假说，从来都不能算科学，当真正的科学建立之后，它当然要被抛弃。

    六，假说被完全证实才能成为科学
    从假说到科学是要有一个过程的，面对一种无法解释的自然现象，大家纷纷提出各种假说，有的解释得好一些，有的差一些。只有那些对各种情况都能解释得通，而且所有实验数据全都能对得上，长期反复验证，战胜了所有其它假说，这才能上升为科学。
    也就是说，只有科学才搞清了自然现象的真实原因，是大自然真正的谜底。有些假说看起来好像也有些道理，但同时又有许多地方解释不通，数据对不上，最后被抛弃，这是因为它所猜测的那一套并非现象的真正原因。
    我们也可以举一个简单的例子，比如在古代，人们认为大地是平的，因为那时人类活动的范围小，天圆地方完全符合当时人们的感觉和认识，按照平面的大地我们完全可以画出地图来，而且也还挺管用，所以那时候人们以为这就是真理。
    但即使在那时候，也有个别聪明人发现有问题。比如古代就有埃及人发现在同一天，两口相距较远的深井，其中一口太阳能直射井底，另一口就不行。这用平面大地的理论绝对解释不通。
    最后人们才发现，大地原来是球形，天圆地方明显错误，只好被抛弃。

从天圆地方到大地球体的认识演变
 

    这和燃素论完全一样，它当时看起来似乎也有点儿道理，但当时就无法解释某些问题，这是因为它压根儿就是错的。
 
    七，物理学定律不可能被推翻
    可以这么说，真正被纳入科学体系的理论，从来没有被抛弃过。它一定反映了宇宙的某些本来规律，一定经过了大量实验的反复检验。不可能最后又发现它是错的，被赶出体系，完全抛弃。即使最后有新的发现，也只是它的某些适用范围要有些修改，在范围内还是对的。
    而那些完全被抛弃的东西，一定是错的，一定有一些实验无法解释，那些似是而非的猜想一定会被更正确的东西完全代替。
    中国有许多人对这两类概念（“原来的科学体系被修改”与“原来的猜想被完全抛弃”）往往混为一谈。把“科学永远在不断发展”这句话理解为，所有的定律都不一定永远正确，都可能最后被新发现所抛弃，什么都能变，所以世界上也就无所谓真理，无所谓科学。今天是科学，明天可能就是谬论，今天是伪科学，明天可能就是真理。如果真要是那样，宇宙本身就没有规律了。
    宇宙在人类没产生之前就已经存在上百亿年，它本来就有自己的规律，不管人们发现还是没发现，它都存在着，不可能自行改变。人类的科学也就是已经被发现了的那部分宇宙本身的规律，它怎么可能后来又错了呢？
    真正搞懂了物理学就会清楚，真正被实验反复验证过成为定律的那些东西是科学体系中的基础，这些东西必须坚决相信。它不可能有一天忽然被证明完全错了，完全抛弃。最多不过是新的发现对它的适用范围有某些修改，但在适用范围内，它仍然是正确的。
    科学体系中还有一些最前沿最尖端的部分，现在还在探讨，还没有定论，还不知道算不算科学。可能还是一些猜想，可能跟某些实验数据对得上，但跟另一些数据又对不上。也许最后经过理论的修改完善，所有数据都对上了，然后经过世界上所有实验室长期反复检验，反驳，它就有可能变为定律，被吸纳进科学体系。也许这些部分经过研究，发现它不过是一种错误的猜想，又有新的理论完全代替它，那么它就被抛弃。这一点儿都不奇怪。
    我们经常听有人说，如果什么什么被证实，物理学定律就要改写！说得有点耸人听闻。但改写并不是推翻。当相对论量子力学被证实后，牛顿定律确实被改写了，也就是加上了“宏观低速”这个限制条件，但并没有被推翻。

    八，结语
    我们可以总结出三句话：
    一，科学和猜想是两个概念。
    猜想如果被实验彻底证实，它就变成了科学，它不可能后来又被抛弃。
    如果猜想一直与实验有矛盾，最后又被新的理论所代替，那么这个猜想从开始就是错的，所以必然被抛弃。
    二，科学中的任何理论都有可能被修改，但一般只是修改它的适用范围，并不是改变它的主体。所以“原来的科学体系被修改”与“原来的猜想被完全抛弃”是两码事，不要混为一谈。
    三，科学体系是一个流动的，不断修改补充的体系，其中的任何部分都只是相对真理，都只能反映宇宙规律的一部分，都有它的适用范围。
    只有宇宙本身的规律才是绝对真理。科学体系的总和集中了人们目前所发现的所有相对真理，它每天都在向绝对真理逼近，但永远也无法穷尽宇宙规律，无法完全等于绝对真理。

    顺便补充两句，现在有人把他们所信仰的价值观叫做“宇宙的真理”，真叫人笑掉大牙，连牛顿力学和相对论还只是相对真理，尚且不敢自称宇宙真理，他们信仰的那东西算什么玩艺儿？