首页 >>

今天,物理学不再忧伤

10月8日星期二,普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)因为在物理宇宙学中的贡献,与另外两位瑞士的天文学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹分享了2019年的诺贝尔物理学奖。

本篇文章整合了皮布尔斯与另外2位作者的一些理论,讲述了整个物理学波澜壮阔的进化史。经过这138亿年的演化后,今天宇宙中的恒星与星系会变成怎样,基本粒子到底何在,宇宙学的归宿又是什么?

今天,可能是物理学家开心的日子,但物理学的永恒悲伤之路,却无法逆转。

引子

人类科学史上,有一群顶尖天才存在。

正是因为有了他们的存在,人类才拥有壮丽文明和科学神话。

回首人类近现代史300年,这是科学“群星闪耀”的年代,他们的的名字是:哥白尼、伽利略、牛顿、费马、欧拉、高斯,黎曼,伽罗瓦、麦克斯韦、希尔伯特、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、哥德尔、图灵、费曼、拉马努金、杨振宁、外尔、威藤、霍金、温伯格…………

他们并非个个家喻户晓,有的甚至命运多舛,但无论岁月如何风云变幻,最后我们必须承认,正是这些人构成了人类文明不断向前的基石。

是的,他们本来和我们一样,只是宇宙中一粒尘埃,但他们的思考力,却能洞穿整个宇宙。

但如果有一天,物理学家再无用武之地了呢?

最近,杨振宁说高能物理“盛宴已过”,对“基础粒子研究”失去信心,这可是物理学最前沿的领域,也是物理学终极理论的希望之所,也就是说,一个顶尖物理学家对当代最前沿的物理学研究方向不再信任,这就是“物理学的忧伤”。

这决不是某一个人的观点,而是很多物理学家的共识:理论物理学已经开始走入空想主义,“科学圣杯”距人类愈发遥远,依靠大型对撞机对基础粒子的研究从而推动物理学向前跃进,已经走入了死胡同。

近60年来,再无获得共识的伟大的物理学理论问世;

近60年来,也再无伟大的物理学家被奉为“灯塔”;

近60年来,也再无激动人心的新人理论得到验证;

很多时候,我们甚至怀疑,真的有一个超级文明将我们的物理学锁死了!

回首人类物理简史,“物理学的忧伤”到底是危言耸听,还是智者箴言?

一、从创世说起

一切回到宇宙本原,重新来思考物理学的一切。

宇宙是从什么时候开始的呢?现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论,英文叫做Big Bang!

“哈勃红移”和“宇宙微波背景辐射”这两大实验数据支持了这一理论:宇宙就是源于一个大爆竹。

当然你可能会问,那爆炸之前是什么呢,点燃爆炸的人又是谁呢?这些问题属于哲学的范畴,不属于科学的领域,如果一定要死嗑这个问题,牛顿会用“上帝是第一推动力”来忽悠你的。

创世的刹那,开始于10E^- 43 秒……(10的负43次方秒,也称为普朗克时间,人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/s。)请注意了,这是一个定义值,而不是一个测量值。

创世时间表

# 10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次方)度;

# 10E-35秒,大一统作用力崩解;

# 10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;

# 10E-3秒,夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;

# 3分钟,质子与中子开始凝聚成稳定的原子核;

# 30万年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;

# 30亿年,第一个似星体(quasar)出现;

# 50亿年,第一个星系出现;

# 100~150亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。

不管你信不信,这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。

表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值,没有任何一个是可以直接测量的,因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。

但是,人类的天才们做到了——这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算,都是无数的物理学家和数学家呕心沥血的结晶,这些结论是基于科学本身做出的演绎和推理,而不是凭空想像。

二、物理学的最前沿在哪里?

回顾宇宙极简史之后。

现在要问的是,物理学最前沿的研究领地在哪里?

今天,寻找最古老的问题的答案就是物理学最前沿的研究方向

我们从创世时间表的第一个事件谈起:十维宇宙分裂。

维度和多维宇宙

一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所以,我们把直线或曲线叫做:一维空间;

一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动,所以,我们把平面或曲面叫做:二维空间;

一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动,所以,我们的空间叫做是:三维空间;

(加上时间一维,我们的世界是四维的,合称时空。)

依此类推……

如果,有人告诉你,多维空间(四维以上)的人,看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然,就像我们看二维平面上的圆圈一样?因为我们拥有第三维的“上帝视角”。

阿米巴扁平虫只能感知二维的世界,我们如何证明我们所能感知的所谓“真实”,岂不是也受限于我们自己的认知条件?

人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的,因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。

超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它’垂直’的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法,十维空间是宇宙这座大琴的音箱,拨动这些弦造成不同的音高与音色,于是产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。

最新的“M理论”,由当代物理巨匠威藤提出,结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论,藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。

“超弦理论”和“M理论”都野心勃勃想统一广义相对论与量子力学,完成爱因斯坦的夙愿,构建终极“大统一理论”,这就是理论物理学最前沿的研究方向。

三、如何构建“大统一理论”?

构建“大统一理论”着手点是统一四种自然力,必须从最基础的粒子作用开始研究,由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力,万有引力、电磁力、强相互作用力(强核力)、弱相互作用力(弱核力)。理论上宇宙间所有现象,包括十维空间都可以用这四种作用力来解释。

只有四种自然力

两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:

❶电磁力(electromagneticforce):包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中第2强。

❷强核力(strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递)。在有效距离内,距离越大,力约大。短程力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。

❸弱核力(weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

❹重力(gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中最弱。

为何要统一自然力?

一旦人类将所有的作用力整合成一个作用力,这时会有什么突破?

人类能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序。任意地组合与改变粒子,制造出前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数,成为宇宙的主宰。

回看一下人类掌握“力”的历史:

→人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%时间里,人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力;

→十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力;

→牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百马力;

→麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等发明家,人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,极大地改变了人们的生活。

→爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代,人类掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。

四、那些“统一自然力”的天才们

黎曼

硬刚“欧几里德”和“牛顿”的巨人

1854年6月10日,数学天才黎曼在德国哥廷根大学发表了《关於几何基础的假设》,撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。

黎曼认为欧几里德数学根基只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。

比如,欧式几何说三角形三个内角之和等于180度,这个看似简单的问题,在数学史上却从来没有被严密证明过!而且,假如身处弯曲表面的世界,这个公式就不成立了。

黎曼作出了牛顿两百年来首次划时代重大突破,彻底推翻了牛顿的超距作用原则,他认为:作用力源自于几何学,作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。(在牛顿早已成神的年代,说出这样的结论需要何种气魄。)

总结一下黎曼的伟大之处:

①他以多维空间理论简化了所有自然作用力;认为电力与磁力和重力一样,只是高维空间弯曲产生的结果。

②他提出了虫洞(warmholes)的概念,黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。

③他以“场”来描述重力,以“度量张量”(Riemann metric tensor)描述空间里每一个点的重力场。

黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用力,这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。

麦克斯韦

电和磁的合并者

麦克斯韦,一个被忽视了堪与牛顿齐名的大科学家。

1873年麦克斯韦出版了电磁学专著《电磁学通论》。系统总结了19世纪中叶前后,库仑、安培、奥斯特、法拉第的研究成果,建立了完整的电磁理论。

将电力和磁力统一了起来,这让后来的爱因斯坦都感受到了压力。

费曼说到:“从人类历史的一种长久观点看---例如从至今以后一万年间的观点来看,19世纪中最重要的事件将被判定为麦克斯韦发现的电动力学定律,同时期的美国内战将褪色而成为只有地区性的意义了。”

有了电磁学,才有了现代光学、电工学、电子学,就不可能有电气化和通信技术。

麦克斯韦一辈子太低调,我们帮他总结一下“光辉成就”:

①建立了统一的经典电磁场理论;

②建立光的电磁理论,预言电磁波的存在;

③为爱因斯坦的狭义相对论铺路。

爱因斯坦

御光者

1、狭义相对论,光速恒定⇒ E=mc²

但有另一种观点说:黄金一代并非那么优秀,只是因为经典物理学大厦在20世纪初倒塌之后,他们正好站在新大陆上,发现了一个不一样的宇宙!

而这所有的一切,都可以用实验来证明他们的理论,直到今天,我们还用“黑洞”照片来证明爱因斯坦的“远见卓识”,他们赶上了一个好时代。

到了21世纪,无论是超弦理论,还是M理论,这些物理学家集中的前沿领地,都要在亚原子领域才能获得验证,不知道100年后能不能获得证明?

也就是说,再伟大的物理学家,你也得将自己冰封起来才有可能见证自己的猜想。

所以,尽管M理论已取得累累硕果,尽管它的创建者威滕被认为综合学识能力并不逊色于牛顿,然而在他的有生之年,并没有办法让理论得证,世人也没有办法见证其丰功伟绩。

弦理论也一样,虽然它描绘了从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈到太空中飞旋双星高雅的华尔兹,推理出从大爆炸的原初火球到星河的壮丽漩涡,但仍然被世俗之人认为是“空想科学的典型代表”。

再厉害的肖邦,也弹不出物理学家的悲伤。

如果不能让理论得证,再优美的物理理论都会堕入了玄学的领域。

唐·王勃在《滕王阁诗序》中感叹:呜乎!胜地不常,盛筵难再。

这就是物理学的写照。

不过今天,也就是2019年10月8号,我们仍然要为获奖的三位宇宙天体学物理学家叫好。

来源:量子学派

文章来源:管家婆一句赢大钱资料

标签:246免费资料大全,57777开奖现场,双色球开奖结果看,2019马会免费资料大全,黄大仙救世报