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上節(jié)課我們說(shuō)到了宇宙,里面有光和其他物質(zhì)在運(yùn)動(dòng),。光由光子組成,,這是愛(ài)因斯坦憑直覺(jué)想出的光的微粒。我們看到的物體都是由原子組成的,。原子由一個(gè)原子核和圍繞它的電子組成,,原子核由緊密聚集在一起的質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子則由更小的粒子構(gòu)成,,美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼為它們?nèi)∶翱淇恕薄?strong>我們所觸碰到的每樣?xùn)|西都是由電子和這些夸克組成的,。 夸克之所以能夠在質(zhì)子和中子里“黏”在一起,是因?yàn)橐环N物理學(xué)家們稱作“膠子”的粒子,,它是從英文的“膠水”變化而來(lái)的,,科學(xué)家們?nèi)∶麜r(shí)似乎并沒(méi)有發(fā)覺(jué)這個(gè)詞有點(diǎn)可笑。 我們身邊的所有物體都是由電子,、夸克,、光子和膠子組成的,它們就是粒子物理學(xué)中所講的“基本粒子”,。除此之外還有幾種粒子,,例如中微子——它布滿了整個(gè)宇宙,但并不跟我們發(fā)生交互作用,,還有希格斯玻色子,,他是在不久前日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的粒子。但這些粒子并不多,,只有不到十種,。這少量的基本原料,如同大型樂(lè)高玩具中的小積木,,靠它們建造出了我們身邊的整個(gè)物質(zhì)世界,。 量子力學(xué)描述了這些粒子的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)方式。這些粒子當(dāng)然并不像小石子那般真實(shí)可感,,而是相應(yīng)的場(chǎng)的“量子”,,比方說(shuō)光子是電磁場(chǎng)的“量子”。它們的消失和重現(xiàn)遵循量子力學(xué)的奇特定律:存在的每樣?xùn)|西都是不穩(wěn)定的,,永遠(yuǎn)都在從一種相互作用躍遷到另一種相互作用,。 即使我們觀察的是空間中一塊沒(méi)有原子的區(qū)域,,還是可以探測(cè)到粒子的微小涌動(dòng)。徹底的虛空是不存在的,,就像最平靜的海面,,我們湊近看還是會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)微的波動(dòng)和振蕩。構(gòu)成世界的各種場(chǎng)也會(huì)輕微地波動(dòng)起伏,,我們可以想象,,組成世界的基本粒子在這樣的波動(dòng)中不斷地產(chǎn)生、消失,。 這就是量子力學(xué)和粒子理論描述的世界,。這和牛頓的世界相去甚遠(yuǎn):在那里,冰冷的小石子在不變的幾何空間里沿著精確而漫長(zhǎng)的軌跡永恒不變地運(yùn)動(dòng)著,。量子力學(xué)和粒子實(shí)驗(yàn)告訴我們,,世界是物體連續(xù)的、永不停歇的涌動(dòng),,是稍縱即逝的實(shí)體不斷地出現(xiàn)和消失,,是一系列的振蕩,就像20世紀(jì)60年代時(shí)髦的嬉皮世界,,一個(gè)由事件而非物體構(gòu)成的世界,。 粒子理論的細(xì)節(jié)在20世紀(jì)50—70年代逐漸得到完善。參與這項(xiàng)工作的有20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,,如理查德·費(fèi)曼和蓋爾曼,,還有一群舉足輕重的意大利人。這些細(xì)節(jié)的建構(gòu)導(dǎo)出了一個(gè)復(fù)雜的理論,,它建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上,,被稱為“基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型”,一個(gè)不太浪漫的名字,。 20世紀(jì)70年代,,在其所有預(yù)測(cè)被一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后,這個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”終于得以確立,。1984年,,意大利現(xiàn)在的參議員卡洛·魯比亞還憑著這個(gè)模型的首批數(shù)據(jù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。2013年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn),,完成了“標(biāo)準(zhǔn)模型”確認(rèn)工作的最后一環(huán),。 雖然有一系列成功的實(shí)驗(yàn),物理學(xué)家們卻從未真正認(rèn)真看待“標(biāo)準(zhǔn)模型”,。這個(gè)理論至少第一眼看上去零零碎碎,,東拼西湊。它由不同的理論和方程集合而成,看不出有什么清晰的秩序,。它描述了某些場(chǎng),,通過(guò)由某些常數(shù)決定的某些力相互作用,表現(xiàn)出某些對(duì)稱性,。這距離廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的簡(jiǎn)潔方程還很遙遠(yuǎn),。 標(biāo)準(zhǔn)模型方程對(duì)世界進(jìn)行預(yù)測(cè)的方式也復(fù)雜得離譜。直接使用這些方程會(huì)得出毫無(wú)意義的預(yù)測(cè),,因?yàn)橛?jì)算出來(lái)的每個(gè)數(shù)都是無(wú)窮大。要想得到有意義的結(jié)果,,必須假定參數(shù)本身就是無(wú)窮大,,才能抵消荒謬的結(jié)果,讓它們變得合理,。雖然它在實(shí)際應(yīng)用上是可行的,,但那些追求簡(jiǎn)潔的人卻仍然覺(jué)得它有所欠缺。 愛(ài)因斯坦之后20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家,,量子科學(xué)最重要的建立者,,標(biāo)準(zhǔn)模型第一個(gè)也是最主要的方程的作者叫做保羅·狄拉克,在他生命的最后幾年曾反復(fù)表達(dá)他對(duì)這一狀況的不滿,,他說(shuō):“我們還沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題,。” 近幾年,,標(biāo)準(zhǔn)模型還出現(xiàn)了一個(gè)明顯的缺陷,。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在每一個(gè)星系的周圍都存在著一團(tuán)巨大的云狀物,。我們是通過(guò)它對(duì)星體的引力和它使光發(fā)生偏折的現(xiàn)象才間接發(fā)現(xiàn)它的,。我們無(wú)法直接看到這團(tuán)巨大的云,也不知道它由什么組成,??茖W(xué)家們提出了很多假設(shè),卻沒(méi)有一個(gè)說(shuō)得通,。很明顯有東西在那兒,,但它具體是什么,我們卻無(wú)從知曉,。今天我們把它稱為“暗物質(zhì)”,,一種無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)模型描述的東西,不然我們也不會(huì)看不見(jiàn)它了,。它不是原子,,不是中微子,更不是光子。 親愛(ài)的讀者,,天空和大地上存在著超出我們的哲學(xué)或物理學(xué)想象的東西,,這也不是什么新鮮事了。就在不久之前,,我們還在懷疑無(wú)線電波和中微子的存在呢,,盡管它們充滿了整個(gè)宇宙。 迄今為止,,標(biāo)準(zhǔn)模型仍然是解釋物質(zhì)世界最好的理論,,它的預(yù)測(cè)全都得到了證實(shí)。除了暗物質(zhì)和廣義相對(duì)論中被描述為時(shí)空曲率的引力之外,,其它的它都很好地解釋了已知世界的方方面面,。 曾有人提出其他理論,試圖替代標(biāo)準(zhǔn)模型,,但都被實(shí)驗(yàn)推翻了,。例如,20世紀(jì)70年代有人提出了一個(gè)叫做SU(5)理論,,它看起來(lái)很不錯(cuò),,用一個(gè)更簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)取代了標(biāo)準(zhǔn)模型中無(wú)序的方程。這個(gè)理論預(yù)測(cè)質(zhì)子會(huì)以一定的概率衰變,,分解成電子和夸克,。科學(xué)家們?cè)炝撕芏嗑扌蛢x器,,來(lái)觀測(cè)質(zhì)子的衰變,。由于衰變需要太長(zhǎng)時(shí)間,所以不能一次只觀測(cè)一個(gè)質(zhì)子,,有些物理學(xué)家為尋找可觀測(cè)到的質(zhì)子衰變奉獻(xiàn)了一生,。可是,,唉,,至今還沒(méi)有人觀測(cè)到質(zhì)子的衰變呢。SU(5)這個(gè)漂亮的理論,,雖然簡(jiǎn)潔美妙,,卻得不到上帝的青睞。 同樣的故事也許正在上演,。有一種被稱為“超對(duì)稱”的理論預(yù)言存在一類新粒子,。在整個(gè)物理生涯中,我不斷聽(tīng)說(shuō)有同事在滿懷信心地期待著這些粒子被發(fā)現(xiàn),。但是隨著時(shí)間的流逝,,一天天,、一月月、一年年,、數(shù)十載……這些超對(duì)稱粒子依然沒(méi)有現(xiàn)身,。物理學(xué)史并非只有成功。 所以我們現(xiàn)在還只能依賴標(biāo)準(zhǔn)模型,。它可能不太優(yōu)美,,但是用來(lái)解釋我們周圍的世界卻很好用。誰(shuí)知道呢,,仔細(xì)想想,,或許并不是這個(gè)模型不優(yōu)美,而是我們還沒(méi)有學(xué)會(huì)從正確的角度看待它,,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)隱藏其中的簡(jiǎn)潔,。 如今,我們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)是這樣的: 屈指可數(shù)的幾種基本粒子,,不斷地在存在和不存在之間振動(dòng)、起伏,,充斥在似乎一無(wú)所有的空間中,。它們就像宇宙字母表里的字母,以無(wú)窮無(wú)盡的組合,,講述星系,、繁星、陽(yáng)光,、山川,、森林、田地,,以及節(jié)日里孩子臉上的笑容和星光璀璨夜空的漫長(zhǎng)歷史,。
我前面介紹的物理理論,,盡管有些晦澀繁雜,,并且有的問(wèn)題仍舊懸而未決,卻已經(jīng)比過(guò)去更好地描述了這個(gè)世界,。我們本該對(duì)此心滿意足,,可事實(shí)卻并非如此。 在我們所了解的物理世界的中心,,存在著一個(gè)悖論,。我說(shuō)過(guò),20世紀(jì)物理學(xué)的兩顆明珠是廣義相對(duì)論和量子力學(xué),。前者是宇宙學(xué),、天體物理學(xué),、引力波、黑洞以及其他許多研究的起源,;后者則是原子物理,、核物理、基本粒子物理,、凝聚態(tài)物理等學(xué)科的基礎(chǔ),。這兩個(gè)理論帶來(lái)了豐富的成果,奠定了當(dāng)代科技的基石,,徹底改變了我們的生活方式,。但這兩個(gè)理論不可能同時(shí)正確。至少依照目前的形式,,它們是相互矛盾的,。 一個(gè)大學(xué)生如果早上聽(tīng)了廣義相對(duì)論的課,下午學(xué)了量子理論,,可能會(huì)覺(jué)得教授們犯糊涂了,,或者懷疑他們是不是至少有一個(gè)世紀(jì)沒(méi)有交流過(guò)了,不然為什么早上世界還是彎曲的空間,,所有東西都是連續(xù)的,,下午它就成了一個(gè)能量量子躍動(dòng)的平直空間? 悖論在于兩個(gè)理論都非常好用,。
一群散布于五大洲的理論物理學(xué)家正在努力解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)研究領(lǐng)域被稱為“量子引力”,,其目標(biāo)是找到一個(gè)理論,,也就是一系列方程來(lái)解決現(xiàn)在這種“精神分裂”的局面。 物理學(xué)已經(jīng)不是第一次面對(duì)兩個(gè)看起來(lái)完全對(duì)立的偉大理論了,。而過(guò)去每一次成功地將相互矛盾的兩個(gè)理論統(tǒng)一時(shí),,我們的世界觀都產(chǎn)生了巨大的飛躍,。牛頓整合了伽利略的拋物線運(yùn)動(dòng)和開(kāi)普勒的天體橢圓運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力,。麥克斯韋將電和磁的理論結(jié)合起來(lái),,提出了電磁場(chǎng)方程。愛(ài)因斯坦在解決電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的明顯沖突時(shí),,發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論,。 因此,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種偉大理論之間的矛盾時(shí)只會(huì)興奮不已:這是一個(gè)難得的機(jī)會(huì),。我們是否可以建立一個(gè)思考世界的概念框架,,來(lái)兼容上述兩種理論呢? 在這里,,在科學(xué)的前沿,,在人類認(rèn)知能夠抵達(dá)的邊界,科學(xué)變得愈發(fā)迷人了,,它閃耀在對(duì)原初想法的鍛造中,,在直覺(jué)和嘗試?yán)铮谀切┍贿x擇又被放棄的道路上,,在不斷產(chǎn)生的熱情中,,在于努力想象那些從未被想象過(guò)的事。 二十年前,,這個(gè)領(lǐng)域還是一團(tuán)迷霧,,現(xiàn)在道路已經(jīng)出現(xiàn),,喚起了大家的樂(lè)觀與熱情,。然而道路不止一條,因此還不能說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)解決,。多樣性引發(fā)了爭(zhēng)論,,但這是健康的:在迷霧完全消散之前,相互批評(píng),,各抒己見(jiàn),,是有益而無(wú)害的。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)重要嘗試是一個(gè)叫做“圈量子引力”的研究方向,,許多國(guó)家的研究小組都在從事相關(guān)研究,。 圈量子引力試圖把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)。這個(gè)嘗試很謹(jǐn)慎,,它只使用這些理論中已有的假設(shè),,適當(dāng)改寫(xiě)這兩個(gè)理論,使它們相容,。但它的結(jié)論相當(dāng)激進(jìn):它又一次深刻地改變了我們看待現(xiàn)實(shí)世界結(jié)構(gòu)的方式,。 它的中心思想很簡(jiǎn)單,。廣義相對(duì)論告訴我們空間不是一個(gè)靜止的盒子,而是在不斷運(yùn)動(dòng),,像一個(gè)移動(dòng)中的巨大軟體動(dòng)物,,可以壓縮和扭曲,而我們被包在里面,。另一方面,,量子力學(xué)告訴我們,所有這樣的場(chǎng)都“由量子構(gòu)成”,,具有精細(xì)的顆粒狀結(jié)構(gòu),。于是物理空間當(dāng)然也是“由量子構(gòu)成的”。 這正是圈量子引力的核心結(jié)論:空間是不連續(xù)的,,不可被無(wú)窮分割,,而是由細(xì)小的顆粒,或者說(shuō)“空間原子”構(gòu)成的,。這些顆粒極其微小,,比最小的原子核還要小幾億億倍。圈量子引力用數(shù)學(xué)形式描述了這些“空間原子”,,也給出了它們演化的方程,。它們被稱為“圈”或環(huán),因?yàn)樗鼈儹h(huán)環(huán)相扣,,形成了一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),,從而編織出了空間的紋理,就像細(xì)密織成的巨大鎖子甲上的小鐵圈一樣,。 這些空間的量子在哪里,?它們不存在于任何地方,也不在“空間之中”,,因?yàn)樗鼈儽旧砭褪强臻g,。空間就是一個(gè)個(gè)引力量子相互勾連而成的,。世界又一次顯得更接近關(guān)系的集合,,而非物質(zhì)的集合。 圈量子引力理論的第二個(gè)結(jié)論更為極端:在“空間是連續(xù)的,、物體存在其中”這個(gè)觀念消失后,,“時(shí)間不受事物影響、一直流逝”這個(gè)基本而又原始的想法也不復(fù)存在了,。這些描述空間和物質(zhì)的顆粒的方程不再包含“時(shí)間”這個(gè)變量,。 這并不是說(shuō)一切都保持穩(wěn)態(tài),沒(méi)有變化,。相反,,它說(shuō)明變化是普遍存在的,,但我們不再能把這個(gè)基本過(guò)程形容為“一個(gè)瞬間接著另一個(gè)瞬間”。在空間顆粒的微小尺度下,,大自然的舞步不再追隨,,唯一的樂(lè)團(tuán)指揮手中,那根棒子所揮出的同一節(jié)拍,,每一個(gè)物理過(guò)程都有自己的節(jié)奏,,獨(dú)立于鄰近的其他過(guò)程。時(shí)間的流逝發(fā)生在世界之內(nèi),,從量子事件之間的相互關(guān)系中產(chǎn)生,,這些量子事件本身就是時(shí)間的源頭。 這個(gè)理論描述的世界和我們熟知的那個(gè)相去甚遠(yuǎn),。這里不再有“包含”著世界的空間,,也不再有事件發(fā)生“于其中”的時(shí)間。這里只有空間和物質(zhì)的量子持續(xù)相互作用的基本物理過(guò)程,。我們周圍連續(xù)的空間和時(shí)間只是這些密集發(fā)生的基本過(guò)程產(chǎn)生的模糊景象,。就像阿爾卑斯山上平靜而清澈的湖泊,其實(shí)是無(wú)數(shù)微小的水分子快速舞動(dòng)形成的,。 這個(gè)理論可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)嗎,?我們正在進(jìn)行思考和嘗試,但目前還沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí),。然而,,已經(jīng)有很多不同的嘗試了。 其中之一源于對(duì)黑洞的研究,。我們現(xiàn)在可以觀測(cè)到天空中由恒星坍縮形成的黑洞,。被自身的重量壓垮后,組成恒星的物質(zhì)坍塌,,并從我們的視野中消失了,。但它去了哪里呢,? 如果圈量子引力理論正確的話,,那么物質(zhì)不可能坍縮成一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn),因?yàn)闊o(wú)窮小的點(diǎn)是不存在的,,存在的只有一塊一塊的有限空間,。被自身重量壓塌的物質(zhì),會(huì)變得越來(lái)越密,,直到量子力學(xué)可以產(chǎn)生一個(gè)反作用力,,來(lái)抗衡這個(gè)壓力。 我們假定在恒星生命的最后階段,,時(shí)空的量子浮動(dòng)平衡了物質(zhì)本身的重量,,這個(gè)階段的恒星就被稱為“普朗克恒星”,。如果太陽(yáng)停止燃燒,形成一個(gè)黑洞,,那這個(gè)黑洞的直徑約為1.5千米,。在黑洞內(nèi)部,組成太陽(yáng)的物質(zhì)會(huì)繼續(xù)坍縮,,最終形成一顆如原子般大小的普朗克恒星,。組成太陽(yáng)的全部物質(zhì)擠壓在一個(gè)原子大小的空間里,普朗克恒星就是由這種極端的物質(zhì)狀態(tài)形成的,。 普朗克恒星是不穩(wěn)定的,。一旦壓縮到最大程度,就會(huì)回彈,,重新開(kāi)始膨脹,。這就會(huì)導(dǎo)致黑洞的爆炸。假設(shè)有一個(gè)人在黑洞內(nèi)部,,坐在普朗克恒星上,,他看到的爆炸過(guò)程其實(shí)是極高速的回彈。但是,,時(shí)間流逝的速度對(duì)于他和黑洞外的人是不同的,,就像時(shí)間在高山上比在海邊流逝得快一樣。只因?yàn)槭菢O端情況,,所以這里時(shí)間流逝的速度差異極為巨大,。對(duì)黑洞內(nèi)部的觀察者來(lái)說(shuō)回彈是瞬間發(fā)生的,對(duì)外部的人來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)極為漫長(zhǎng)的過(guò)程,。所以在我們看來(lái),,黑洞在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有變化。我們說(shuō)黑洞就是回彈的恒星,,只不過(guò)這個(gè)過(guò)程是以極慢的速度在我們眼前播放的,。 有可能在宇宙初生瞬間的熔爐里,就有黑洞形成,,其中有一些現(xiàn)在還在爆炸,。如果是這樣的話,我們或許可以在天空中觀測(cè)到它們爆發(fā)時(shí)發(fā)射的信號(hào),,也就是來(lái)自天空的高能宇宙射線,,從而觀察和測(cè)量由量子引力支配現(xiàn)象的直接效果。這是一個(gè)大膽的想法,,有可能行不通,,比如原始宇宙中并沒(méi)有形成足夠的黑洞,讓我們今天還能觀測(cè)到它們的爆炸。但是尋找信號(hào)之旅已經(jīng)開(kāi)始了,,讓我們拭目以待,。 這個(gè)理論的另一個(gè)結(jié)論極其轟動(dòng),它有關(guān)宇宙的起源,。我們已經(jīng)知道如何重建宇宙的歷史,,追溯到最初它只有一丁點(diǎn)的時(shí)候,但是在此之前呢,?圈量子引力的方程讓我們可以把宇宙的歷史再往前推一點(diǎn),。 我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)宇宙被壓縮到極限的時(shí)候,,根據(jù)量子理論會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力,,造成大爆炸,這個(gè)著名的大爆炸很可能實(shí)際上是大反彈:我們的宇宙在自身重量下坍縮到非常小,,然后反彈,,開(kāi)始膨脹,變成現(xiàn)在我們周圍不斷擴(kuò)張的宇宙,。宇宙被壓縮到堅(jiān)果殼大小,,開(kāi)始回彈的那一瞬間,就真正進(jìn)入了量子引力的領(lǐng)域:時(shí)間和空間一起消失了,,世界融化成一團(tuán)涌動(dòng)的概率云,,盡管如此,我們還是可以用方程描述它,。 我們的宇宙很可能誕生自某一個(gè)狀態(tài)后的反彈,,經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)渡時(shí)期,在此期間,,時(shí)間和空間都蕩然無(wú)存,。 物理開(kāi)闊了人類的眼界,我們看到的東西不斷地讓我們驚異,。我們意識(shí)到人類滿腦子都是偏見(jiàn),,我們對(duì)世界本能的認(rèn)識(shí)是片面和狹隘的。世界在我們的眼前不斷變化,,我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也在一點(diǎn)一點(diǎn)地不斷深入,。 地球不是平的,不是靜止不動(dòng)的,。如果我們把20世紀(jì)物理學(xué)所有的發(fā)現(xiàn)放在一起,,得到的線索會(huì)完全推翻我們以往對(duì)物質(zhì),、空間和時(shí)間的認(rèn)識(shí),。圈量子引力就是在試圖破譯這些線索,讓我們看到更遠(yuǎn)的地方,。 好了,,今天的分享就到這里,,希望你能在這幾期節(jié)目中享受到物理之美,后面的最后一期轉(zhuǎn)述我會(huì)很快更新,。
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