還有哪些生活層面的現象和問題是物理學不能解釋和沒有研究透徹的?
我是計算機專業,但是對物理也很感興趣;似乎這一百年里,物理學家們一直都是對微觀粒子,宏觀宇宙更感興趣,諾獎也主要是頒給這些方面的研究者,當然,量子物理和相對論確實對我們的生活產生了巨大的變化,但是,我還要一些疑問如下,望高手解惑,如果我的說法有誤,也望糾正:
1.在生活層面(我的意思是介於微觀粒子和宏觀宇宙的領域)的一切現象,物理學都已經可以解釋清楚了嗎,比如水的流動,灰塵的無規律運動,蝴蝶效應,混沌,分形(抱歉,我對這些都不了解,只停留在知道名字而已的層次)?雖然理論上所有事物都是由原子組成,我們把原子的所有性質研究透徹,那麼這些都可以推出來,但是這些並不是同一個層次,不是一回事啊。(我記得費曼曾經說過關於水的流動,並沒有一個人能完全地研究清楚)
2.如果還有一些重要的現象不能解釋,那為什麼不把重點移在這個上面呢,或者說為什麼不優先解決這些呢?像現在研究高能物理要花費巨額資金造碰撞機,燒的錢非常多啊,雖然物理學家認為從高能粒子領域我們更接近終極理論。
3.有個玩笑說化學是應用物理,生物是應用化學,請問怎麼看待物理,化學,生物的關係?是不是層次的不同,一個支撐著另一個?
4.不限定時間,很久很久以後,物理學真的可以解釋所有的自然現象嗎?
1、且不說那些真正困難的問題,例如湍流的問題等等。生活層面的問題物理學沒有研究透徹的有很多很多,隨便舉幾個知乎上的例子:
- 把一張紙捏成一個球,球的大小和紙的大小有什麼關係?
- 如何解釋如圖水波紋與平靜水面有明顯界線的問題?
- 為什麼自行車騎起來之後就不會兩邊倒?
類似的問題還有很多很多,經常就有這樣的文章可以發表到頂級期刊,例如:
- 研究證實貓飲水方式比狗的更加高效可行
- 打水漂:打水漂高手(二),http://www.nature.com/nature/journal/v427/n6969/full/427029a.html
您提到「我們把原子的所有性質研究透徹,那麼這些都可以推出來,但是這些並不是同一個層次,不是一回事啊」這個想法是正確的,這個叫做「More is different」,關於這一問題的討論在 1972 年 Anderson 就已經討論過,您可以參考:
- http://robotics.cs.tamu.edu/dshell/cs689/papers/anderson72more_is_different.pdf
- 《多者異也》「More is different」 中文譯文,譯者:郝劉祥
2、既然有這麼多問題沒有解決,為什麼物理學家不去做?我想,主要有以下理由:
- 這些問題不是 well-defined 的。陳浩曾經說過:事實上,物理學中的「新問題」,一般都是「爛問題」,要經過一定研究,有了深入理解,才能變得 well defined。更多關於這個問題的討論,可以參考這兩個問題:(a)類似 MathOverflow 的問答社區如果應用在物理學領域能獲得成功嗎?(b)數學中什麼叫well defined?
- 建立模型,解決這些生活中的問題需要引入大量的唯象參數,而最終問題的結果又與這些參數密切相關。馮諾依曼、朗道等人都批評過這樣的看法,其中,馮諾依曼的批評最為著名:「給我四個係數,我可以畫出一頭大象;給我五個係數,大象將會搖動尾巴」。也正是因為這一批評,一直以來大家就把有很多待定參數的問題稱為畫「大象」的文章,網上有很多諷刺文章,例如《大象物理學》這篇。這種「擬合大象」的做法把問題的物理本質掩蓋了,這種思路不是物理學家所熟悉的理科的思路,而是工科的思路。朗道關於「大象」問題的批評還可以從他的書中找到一些蛛絲馬跡,例如:
在 1938 年出版的《統計物理學》第一版序言中說,「 本書不討論所謂液體理論;這些理論通常包含足夠多的參數,可以把任何不十分野蠻的實驗弄得同理論一致。」
——郝柏林《朗道100年》http://power.itp.ac.cn/~hao/ld100_phys.pdf
關於大象問題的一個有意思的解:馮諾依曼和畫大象
- 如果有了能被大家接受的 well-defined 的模型,模型的參數少而且可靠,如果此時物理學家還不去做,那麼只能說明這個問題太難了。在物理研究的領域,也有「市場經濟」,不是「宏觀調控(不把重點移在這個上面)」能解決的。
3、這個問題說來話長,參考前面提到的 Anderson 的文章吧。
4、不可能。有的問題已經被證明是不可解的了,例如許多的非線性問題。
最後,「物理學家們一直都是對微觀粒子,宏觀宇宙更感興趣」這個觀點是外行的。關於「科普物理」之外,物理學家還關注一些什麼問題,我在專欄寫過一篇書評介紹:「科普物理」之外的物理學家們都在幹什麼? - 物理討論組 - 知乎專欄。
說一個生活中經常遇到的問題,
情況A:女朋友說:我生氣了。
情況B:女朋友說:我沒生氣。
情況C:女朋友說:我沒有不高興。
情況D:女朋友說:我不高興。
請問女朋友哪個情況是生氣的哪個情況是米有生氣的? 哪個是高興的,哪個是不高興的?
物理學家抖機靈,恩,量子態問題。 測量之前,只知道概率,單次測量,坍縮成某個態。 無窮次測量,最終符合計算出來的概率。 同條件馬上再測量看看是否同樣結果,於是說:你再說一遍?……卒……
大家去看 @fpspaul 的評論~ 炒雞贊的
更: 大家核心討論的問題和很多物理問題一樣,就是我們假設的模型的基本抽象不一定成立…… 比如……是否存在女朋友/老婆/基友…… 為了政治正確我們乾脆統稱「對象」把。
所以題主關心的物理學不能解釋和沒有研究透徹的問題就有:
如何找到適合觀測的對象,簡稱「找對象」問題。
如何合理觀測,使得對象遠離生氣穩態的問題。
以及如何避免對象自我觀測,如何避免隔壁老王對你的對象進行觀測的問題……這麼幾類……
關於不同學科的應用程度的問題,有句老話說得好:
數學是火,點亮了物理的燈,照亮了化學的路,走向了生物的坑……
所以形成了鄙視鏈……
不是搞物理的,但是來說個生活中很常見的例子吧。材料疲勞和斷裂的問題。說起來大家都知道的常識:一根鐵絲折幾折就斷了。但這個斷裂的機理是什麼?能用材料斷裂的理論指導工程應用嗎?恐怕還有相當長的一段路要走呢。
吸煙的人,吐出來的煙,向上運動。。。這個都沒研究清楚。。。
湍流
簡單寫一個 目前沒有有效的合適的模型來對沙子進行分析
這個問題我要好好答一答,物理學能夠解釋的東西非常多,我需要給樓上傅渥成的回答做一些必要的補充。
比如把一張紙捏成一個球,球的大小和紙的大小有什麼關係?這個跟紙的大小關係不大,關鍵要看捏的人有多大力氣。如果用垃圾車的壓縮裝置來壓縮紙塊,那紙塊的大小基本和紙的體積成正比——所以這種問題是很好解釋的。
再比如為什麼自行車騎起來之後就不會兩邊倒?這是因為慣性的緣故。一般人所理解的慣性僅僅包括勻速直線運動這種慣性,但是慣性是無處不在的——除了動量守恆(在沒有外力的情況下,保持直線勻速運動,看起來就是慣性),還有角動量守恆(在沒有外力的情況下,保持勻速同軸旋轉,表現出旋轉慣性),在自行車體系下,如果沒有足夠大的外力去打破旋轉車輪的角動量,那麼人體稍微調節一番就可以保持自行車的平衡了——所以這種問題也是可以得到解釋的。至於物理學家發paper研究這種事情,他們往往鑽的是更為深入一些點,並不是常人所關心的。
理論上物理學是能夠解釋非常多問題的。讓物理學遇到困難的是研究對象的複雜程度,打個通俗的比方也就是說物理考試解5個方程就得到答案了,這就是非常簡單而理想的物理體系,考試卷上基本都這樣。如果幾十個方程就能解決問題,物理學家用計算機幫幫忙也就沒問題了。但是很多實際狀況根本就不是這個樣子,也就是說你列上一萬個方程也無法把研究的對象給表示出來。比如流體問題——所以伯努利方程之類的東西都是無奈之下的近似方程,能夠解釋問題的輪廓,但沒有人會認為它是精確的。
不論是布朗運動啊,混沌分型啊,這都是——複雜——的問題,也就是前面提到的「More is different」,問題複雜到一定程度了,就不能逐級向上解方程了。這個時候只能在宏觀尺度上尋找新的近似方程而不是把底層的方程進行逐級疊加。
所以即便人類發現了宇宙的終極規律,或者說終極方程,也不代表人類就能夠計算宇宙未來了——因為計算量太大了。我們可以近似,但做不到精確,這要考慮到宏大的計算量和不確定性兩層因素在內。
至於說物理是化學的理論基礎,化學是生物的理論基礎,我是完全贊同的——不過基礎歸基礎,如我上面所述,想用物理直接推導出生物,做夢去吧!化學嘛,被夾在中間,它與生物和物理的界限實際上已經變得越來越模糊了,不過學科分類本身就是一個大問題,我在這裡就不過多討論了。
總結一下,其實需要的話,物理可以解釋的東西非常多呢,只要真有需求了,物理還是可以挺身而出搞定很多問題的。至於說水波分界線這種問題,首先它沒有太大實際意義,其次它可以被大致解釋——水波不平,但也不是完全隨機的漫反射,到了某一個極限之後,水波起伏的程度不足以讓它把天空反射進人眼裡面,或者是直接把天空全部反射進人眼裡面,在人看來就好像那片區域是水平的,而那些能反射一部分天空一部分非天空這片區域是波浪的——其實只不過是因為某些區域的波浪起伏在觀察者的角度上無法看到,僅此而已。
所以呢?不是問題解決不了,是沒有找到近似的解決問題的思路和足夠厲害的人。turbulence (不是拽英文是實在不知道怎麼說)
這個往小了說可以是燒開水, 往大了說是天氣預報~
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沒看題主長篇大論就直接答了. 之後貓了一眼, 忍不住反駁這個:
``雖然理論上所有事物都是由原子組成,我們把原子的所有性質研究透徹,那麼這些都可以推出來,但是這些並不是同一個層次,不是一回事啊。""
這是典型的reductionism(還原論)說法.
其不正確性請搜索``reductionism"".
笑死了
類比一下軟體測試,100%覆蓋率是不可能的,那麼就看測試用例的代表性。
物理基本定律在代表性的測試方法中測過了,具有嚴格的證明。科學理論的基本理論完整性在日常生活中沒有什麼「不能」得到證明的。
為什麼還有些「沒有得到解釋」?因為解釋了「沒有用」啊。所以沒有人去專門研究。
而很多列舉的「不能解釋」,完全是「在知乎沒有人解釋」,主要是很多專業人士懶得理你而已。例如自行車動起來不易倒1.生活中沒有搞清楚的問題太多了,化學來說,就連水的相圖人們都畫不完整,解釋不清楚,氫鍵這一重要的能量現在仍然沒有量化的理解明白,所以對水H2O這麼簡單人們都沒了解透徹,更別說溶液體系了。混沌是人們在用物理方程描述世界的時候發現微小的條件差異(比如測量誤差)對結果會產生劇烈的影響,光是這一點就讓我們對解釋、預測許多實驗現象沒有辦法,何況測不準原理這一神奇的存在。
2.不把重點放在這上面有些是因為沒有特別大的價值,畢竟科學家也要吃飯,要經費,而經費要實驗有可能產生巨大效益才能得到,所以你看文獻開頭必談某某研究有什麼價值。
剩下的大多數問題是因為現階段實在是研究沒什麼成果,難度太大不得不放棄,可能是因為更基礎的理論或相關理論不完備,可能是因為計算條件不能滿足(計算機算不過來),可能是因為儀器還沒有達到所要的精度,有些是根本沒法實驗(比如天文和地球物理的很多問題)。
未知的知識實在是太多了,我們只能先從簡單的地方開始研究,或許所得的新成果可以用來解決之前的問題。就像拼圖,先從簡單的邊緣或易於識辨的地方拼,再逐漸完成交界的地方,也就是最難的。基礎的理論物理、高能物理就是拼圖中簡單點(實際也非常難)的邊緣開始拼,也許現在看起來和中心的很難的部分(就是日常生活中懸而未決的問題)沒什麼關係,但說不定哪天就接上了。
3.還是說拼圖的問題,知識是張面積大到難以想像的拼圖,還是多維的。科學研究是有一個筵席過程的,從前人拼出的部分再拼。物理、化學、生物就是前人們根據有價值和好拼兩個原則划出來的拼圖領域,之間延伸必定會交叉,現在具體領域隨著研究的深入又劃分出更細的學科和各種各樣的交叉學科,以至於出現了」計算生物物理化學「這樣的不知道幾級學科。由於在空間尺度和時間尺度上看來物理支撐化學,化學支撐生物,會給人一個支撐著另一個的感覺,但研究領域的不同,要解決的問題差別太多了。
4.最後一個問題,拼圖是不是無限大,這涉及到哲學問題(不可知論?),已經不是單純的科學能解決的事了。科學更多的是在提出模型,來與實際相符。至於能不能用有限的參數把大象完全模擬出來,現在好像還沒定論。
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以上是我學到現在的一些思考,或許有些樸素、粗淺。希望大家批評指正。
譬如說人為什麼會有自我意識,從目前的知識水平看來,根本連一丁點能解釋的明白的希望都沒有。
舉一個引子,水泥的機理。
很多,比如知乎上怎麼這麼多裝逼的
溫水比冷水更容易結冰。
物理學其實任何現象都沒有研究「透徹」。
問:為什麼蘋果會掉下來?
答:因為有重力。
問:為什麼會有重力?
答:因為萬有引力。
問:為什麼會有萬有引力?
答:……
有的人能多答一兩步(未來或許能再加N步),但只要我們繼續追問下去,所謂的「解釋」,所謂現象的「本質」都會崩潰。
研究透徹了么?「人類一思考,上帝就微笑。」
我覺的是時光,也是相對論的基礎問題,二維的平面,三維的空間,把時間加進來就是四維,五維怎麼描述。我想這根本是我們認知的問題,以及我們為了解決我們的形象認知人為締造的一種方式,或許只有改變我們的基礎認知問題才能開拓新的方式認知這些··
1.首先,自然界是無限複雜的,人類永遠都不能把原子研究透徹,由於「測不準原理」的存在,人類永遠都不會知道自然界的真實情況,只能近似的了解。
2.因為我們對自然的了解是有誤差的,所謂,差之毫厘失之千里,所以,每個領域、每個層次都有自己的理論和規律,這些規律只能限定一定的應用範圍,不能跨越領域和層次去解釋問題,比如,不能用物理理論來解釋股票為啥漲落,你為啥喜歡這個女孩,羊肉泡饃為啥是這個味道,等等等等。
3.物理學只能提供研究自然的基礎,不能包羅萬象,生活中,物理學不能解釋的現象太多了,簡直是無窮無盡。
我只想知道薛定諤的那隻可憐的貓咪死了還是沒死。
必須是暗物質和暗能量。物理學家的觀察結果表明,宇宙的擴張速度加快。為了使我們的宇宙模型和現實一致,宇宙的能力和質量應該個恆定的數字。但根據科學家的觀測計算,我們能觀測和推斷出的所有的質量和能量小於模型中宇宙應有的數字。為了調和這個謎,科學家發明了暗物質和能量的概念,代表了似乎缺少的質量和能量,但目前為止它們的存在並沒有100%實實在在的證據 。我是物理外行人,只是根據自己閱讀物理學著作的記憶簡單解釋,權當拋磚引玉。我覺得遲早會有人會弄清楚,是物理學家用的模型出錯了,還是我們的觀察推理錯了,才導致了模型中不得不存在暗物質和暗能量。
請參考一本科普書 [生命是什麼] by薛定諤
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