牛顿力学和麦克斯韦理论是什么关系?

一位医务工作者在微博里说:

“牛顿力学是错误的,只适用于部分低速状态和假定前提(公理)之下,这是由于当时的科学文化背景所决定的,麦克斯韦并非绝对正确,但这套完全不同牛顿的体系解决了更多层面的问题,这是现代科学文化背景所决定的。但我们仍然可以用牛顿力学来解决问题,即便他不那么正确。”

其中关于牛顿力学和麦克斯韦理论的描述存在哪些误解?我们应该如何客观地看待新旧物理理论之间的关系呢?


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17个答案
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Sheldon理论物理博士,科学松鼠会成员

2014-07-19 15:42

剑桥大学物理学教授约翰·巴罗在《宇宙之书》中对此有精辟的论述。

2000年,英国有一场大型比赛。人们通过投票,要选出过去一千年中最伟大的英国人。知名节目主持人和记者尽最大努力说服民众,把莎士比亚排在戴安娜王妃前面,把贝克汉姆排在达尔文后面。一家严肃的报纸想到了牛顿。这本来很有说服力——彩虹、运动、万有引力、微积分以及其他累累成就——但有位记者没有被说服。“爱因斯坦证明牛顿的一些理论完全‘错’了。”他如此写道。


这句评论透露出有关现代科学发展进程的一个误解。当爱因斯坦的引力理论出现,并被越来越精确的实验验证时,并不意味着牛顿的理论被扔进了垃圾堆。将来,爱因斯坦的理论也会被取代,但我们同样不会把它扔在一旁。

爱因斯坦的思想拓展了牛顿理论,于是我们就能了解引力场很强和运动速度接近光速的时候会发生什么。牛顿理论不能描述这种极端情况。但如果考虑爱因斯坦理论的极限情形,即物体运动速度远低于光速,并且引力场很弱的情况,那么爱因斯坦理论会变得越来越接近牛顿理论。也就是说,牛顿理论是爱因斯坦理论的极限近似。从应用范围和适用条件来讲,爱因斯坦理论可以取代牛顿理论;但作为对低速、弱引力场的日常世界的有效描述,牛顿理论还无法被取而代之。这就是为什么工程类的学生都要学习牛顿定律的原因,而我也敢预测他们在接下来的一千年内还是会学大致同样的内容。

关于沃纳·海森堡和保罗·狄拉克的量子力学取代牛顿力学,我们也要以同样的眼光看待。量子力学把我们所了解的力学适用范围拓展到了非常微小的空间和时间尺度下,包括质量极小的粒子和光子的运动。然而,当我们渐渐扩大事物的尺度时,量子力学就会越来越像牛顿力学。

在物理学理论的演化中,新的理论会包含旧理论的成功之处和前人们的见解。它们拓展了理论的适用范围以及它们可以准确描述的情景。新理论没有推翻旧理论,也没有把它们扫进历史的垃圾箱。很久以前也许有那么几次,那是因为当时的理论几乎没什么证据支持,说服力微乎其微。如今,一个新理论必须能解释所有已被解释的现象和一些还未被解释的现象,而且还要做出一些从没有人想到过的预言。


19世纪时,人们认为麦克斯韦方程组描述的是电、磁和光现象。现代的观点是,麦克斯韦方程组(及其量子化形式)描述电磁相互作用(这是四大基本相互作用之一),这种相互作用的传播粒子就是光子。

牛顿力学通常指代牛顿的三大运动定律, 它的研究对象一般是理想化的“质点”或“刚体”。所以,牛顿力学和麦克斯韦方程组关注的范畴是不同的。

如果硬要寻找二者的矛盾,我们可以说牛顿力学的形式满足“伽利略变换”(即相对速度可以直接相加),而麦克斯韦方程组的形式满足“洛伦兹变换”(即光速不变)。在某种极限情况下,洛伦兹变换可以退化到伽利略变换,所以也不能说这两种变换是矛盾的,而应该说前一种是后一种的极限形式。

因此我们可以说,所有经过实验检验的物理学理论虽然各有不同的适用范围,但它们都属于同一个体系。不严格地说,所有科学理论都同属一个体系。

(物理学家Tegmark眼中的各学科之间的关系图,红字部分除外)

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首先牛顿那是力学,麦克斯韦是电磁学,这两者必须到量子的微观尺度才会有交集。其次,楼上说了很多了,牛顿力学至今仍然是正确的,只是要加上一个适用范围;而这个范围其实大的可怕,日常生活中99.9%的情形都可以用牛顿力学来建模。

修改:删了对中医的看法。无心争吵。

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阿西莫夫说:“当人们认为地球是扁平的,他们错了;当人们认为地球是球形的,他们也错了。但如果你以为这两种观点的错误程度一样,那么,你的错误程度比二者加起来还要严重。” 很多人都栽在后半句的错误上。

牛顿理论的确是错的,但他只是很好用,好用的原因是在于数量级如此之大的情况下牛顿力学的描述可以很好的近似。 数学上也有很多近似公式, 而那些近似公式在数量级大的情况下是不成立的。像自由落体就是一个近似公式,地球表面的距离不是很大的情况下,把g看成常数。牛顿的错误不在于数学推理上,绝对时间和绝对空间以及惯性系的假定,这些前提在现在看来都是错的,只是这些前提在某些物理量很小的时候近似成立。很多问题,都不是表面想起来那么简单,很多事情,看起来是这么回事,但仔细审查,却并非如此。

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z1w1j帝都大学PhDing

2014-07-19 22:54

牛顿力学主要描述力学,麦克斯韦理论主要描述电磁学,关系不是特别大。
p.s. 我想稍微说一点的是,说“牛顿力学是错的”这句话很不对。任何理论都有其适用范围,离开了适用范围当然不对,不然全世界没有一个理论是对的,因为永远会有不适用的地方。比如1+1=2,大家都承认是对的,但是我可以说:不对啊,一块橡皮泥和一块橡皮泥合起来还是只有一块橡皮泥啊,所以1+1=1不等于2!我个人认为理论的发展永远应该是“新理论向下兼容旧理论”,就是新理论不仅可以推出旧理论,还可以推出旧理论没有的新东西。而我最反感的就是网上有人各种声称“推翻”了相对论,“推翻”了量子力学。人家在各自的范围内和实验事实吻合的好好的,“推翻”了只能说明你错了啊。个人认为说一个理论错了只能是本身不自洽,即自相矛盾不能自圆其说,有逻辑漏洞才叫错了。能解释部分实验事实的自洽的都不能算错,只是依适用范围大小不同,有的更普适,有的比较局限。

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如果按照文中的说法,任何有记载的π值都是错误的,因为分分钟都有新的位数出现

另外同意我楼上的意见,把这个事情和中西医扯到一起实在是……

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一个理论只要能对给定精确度尺度做出正确的预测并且自洽就可以认为是正确的理论。
理论只是对现实的描述而已啊。

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牛顿的力学是相对于低速力学才有用的,对于高速度的没有定律不成立。
只适用于低速运动的物体(与光速比速度较低)。
只适用于宏观物体,牛顿第二定律不适用于微观原子。
参照系应为惯性系。

任何一条公式都是有他适用范围,超出适用就为之错误。我们高中学物理时也遇到过这个问题,同时也讨论过。其实物理是最有趣的。

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《Inception 2:牛顿的中医》

某神秘人物:我有一个任务。

莱昂纳多:我不接任务了。

某神秘人物:做完我就可以让你死去的老婆复活。

莱昂纳多:是什么?

某神秘人物:让那个人觉得:中医已经可以和牛顿力学相提并论了。

莱昂纳多:要是我做完了发现你骗我,你知道后果。

……

……

……

微博上:

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司徒皮特化学在读本科生

2014-07-20 00:10

所有理论都是错误的,但是相比之下有的理论是不那么错误的。
比如说牛顿力学在二十世纪的相对论革命和量子力学革命以前可以认为是正确的,因为它的预言都被证实了(海王星!!!!!),它可以解释机械运动范畴内的一切现象。
但是进入二十世纪以后很多实验已经证伪了牛顿力学(1919,爱丁顿爵士。。。。。),我们可以说牛顿力学是错误的了。
那么我们可以认为相对论是宏观条件下的正确理论了对吧,不知道,要是有人发现了有质量的物体超光速那么相对论就错了,所以它是可证伪的,而且我们相信总有一天它是会被实验证伪的。
那么科学有意义吗?连物理学都是错的!!!!
有意义啊,因为知道目前科学仍然是我们对世界最好的描述,在合适的范围以内在一定精度下它仍然是成立的,那么它就仍然具有指导意义,所以我们还是可以大胆的使用这些理论,只是要随时注意用实验验证。


ps:牛顿力学和麦克斯韦理论处理的对象有相同之处?中医和西医反正不是这个关系,我个人觉得麦克斯韦理论和牛顿力学的关系就像植物学和动物学是井水不犯河水的。至于中医和西医。。。。我就不参战了

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牛顿的理论至少在很大的尺度里面只有测量精度以下的误差。

中医呢?即使同一个情况都有可能有天地之差。

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我很好奇,为什么牛顿能跟麦克斯韦混一起去?这两位老人家当年可是各自领域内的风云人物,没有竞争关系,没有从属关系。
麦克斯韦方程组是电磁关系,和牛顿力学有什么关系?
要说也该是牛顿爱因斯坦啊。

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imchaos文化研究 比较文学

2014-07-25 14:48

只看过《上帝掷骰子吗》的文科生也表示这个说法好怪异。

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这也是个参照系的问题,从点、线、面、三维、四维、等不同参照系下看到的东西是不一样的,参照系像把尺子,也比如人体的视觉敏感度,看到的是个局限的范围内的表达或者说行为。当人以步丈量土地,地是平的,人无地球的观念,人们有飞机有远洋轮,地才是球形的,同样我们看宇宙,说他是膨胀也好坍塌也罢,参照系不同而已。又比如日取其半,无尽也。但一个单位被无限次细分,其实已经突破参照系,也可以称之为偷换概念了

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牛顿力学是基本力学。他的理论观点可以延伸到量子力学中去。为什么人类感觉他的理论有局限性呢?那是因为人类的观测能力有限。在有限的观测范围内只能用麦斯威尔的方法来解释某些现象。另外纠正一点就是四大力的转移并非是依靠光子。

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支持者: aha_mao 蟹小鱼

果壳的G点——转基因、中医……

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支持者: 梧桐清声 gundamfire

对这种观点我只想问,什么条件下的人中医有效,什么条件下的人西医有效。

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你也知道,它只是个医务工作者,还是中医,约等于文科学渣

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