1,、他以多維空間理論簡化了所有自然作用力,;認為電力與磁力和重力一樣,只是高維空間彎曲產(chǎn)生的結果,。 2、他提出了蟲洞(warmholes)的概念,,黎曼切口是多重連結空間的一個最簡單范例,。 3、他以“場”來描述重力,,以“度量張量”(Riemann metric tensor)描述空間里每一個點的重力場,。(所謂“度量張量”,其實就是一組數(shù)字,,類似坐標,。) 黎曼英年早逝,并未找出電力與磁力的場方程式,,也沒有計算出空間要褶皺到什么程度才足以描述不同的作用力,,這幾項重要發(fā)展留給了麥克斯韋爾和愛因斯坦。 6,、狹義相對論,,光速恒定? E=mc2 我們贊美陽光!它不僅孕育了的生命,,同時也照亮了人類的思想,。愛因斯坦,是那個御光飛行,、穿越時空的人,。 愛因斯坦小時候,常以簡單問題自問自答:“如果你追上一束光線,,它看起來是什么樣子,?你會不會看到一束靜止的光波,凍結在時間中,?”這個問題,,讓他在后五十年里,,帶領人類走進了時空神秘之旅。 十六歲時,,愛因斯坦發(fā)現(xiàn)世界上似乎并沒有能夠追上光速的東西,。二十六歲時,他用嚴密的數(shù)學證明了這一發(fā)現(xiàn),。在瑞士專利局擔任低階職員的他,,用麥克斯韋爾的場方程式推導出狹義相對論(special relativity)。 用一句話概括狹義相對論,,那就是:光速在任何恒動架構里恒為常數(shù),。這個定理表面上看并不顯眼,但確是人類心靈的最偉大成就之一,! 愛因斯坦指出,,無論我們怎樣加速,無論我們自身的速度如何,,人們所能測量的光速是一樣的,。 對于這一結論,愛因斯坦給出了超脫凡俗的解釋,,他認為:導致這個結果的原因是:時間變慢了?。ㄟ@是石破天驚的一句)也就是說,我們移動的越快,,我們的時鐘就走得越慢,,我們的量尺也越短,,所以,,我們測量的光速是不變的。 愛因斯坦進一步思考:那么,,幾乎所有的物體都必須使用時鐘與量尺來測量,,既然時間和量尺都是變化的,所以我們必須校正所有的物理量(quantity),,于是他導出了下一個重大的結論:質量是從能量來的,。 這個結論,一舉推翻了十九世紀的兩大物理發(fā)現(xiàn):質量守恒和能量守恒,。自此以后,,質量與能量被視為單一單位:質-能(matter-energy)。 二十六歲的愛因斯坦同時給出了質能變動的方程式,,那就是著名的E=mc2。 讓我們再來追尋一下狹義相對論的推導過程: 光速恒定?時間變慢?質量不恒定?“質量-能量”相互轉換E=mc2 俠義相對論,統(tǒng)一了“時-空”,,也統(tǒng)一了“質-能”。 統(tǒng)一了“時-空”以及“質-能”之后的愛因斯坦,,進一步思考“時空”與“質能”之間的關系,,也就是狹義相對論所忽略的加速度,還有重力,。 這導致了他的下一個巨大成就:廣義相對論,。 7、廣義相對論,,空間是彎曲的?力學=幾何學 再次,,愛因斯坦由一個簡單問題開始:“如果一個人處于自由落體狀態(tài),他就不會感覺到自己的體重,?”愛因斯坦透過這個簡單問題掌握了重力的基本特性:在加速度架構下的自然律和重力場的定律是一樣的。這就是所謂等效原理(equivalence principle),。 透過等效原理,愛因斯坦重新思考關于光速的問題:光速會受重力影響嗎,?答案是肯定的,,重力場會扭曲光線的行進路線。 但是,!但是,,根據(jù)費瑪最短時間原理,光線會采取兩點之間的最短時間路徑,,愛因斯坦再次得出一個令人震懾的結論:如果我們可以觀測到光線以曲線前進,,那就意味著空間本身是彎曲的!(光以曲線前進這一預測,,已經(jīng)被后人的無數(shù)次實驗反復證明,。) 偉大的愛因斯坦進一步得出結論:質能的存在造成周圍時空的彎曲。 我們前面講過,,數(shù)學家黎曼早在一八五四年就提出了作用力與空間彎曲的關系,,并提出了重力場論。愛因斯坦利用黎曼的研究成果,,用數(shù)學形式表達了他自己的物理學新發(fā)現(xiàn),,這就是廣義相對論(general relativity)。 讓我們再來追尋一下廣義相對論的推導過程: 光線以曲線前進+光線走兩點間最短時間路徑?空間是彎曲的?“質-能”造成“時-空”彎曲?力學=幾何學 愛因斯坦的偉大,止步于他的第三次嘗試,。 在狹義和廣義相對論之后,,他終其一生研究統(tǒng)一場論(unified field theory ),簡單說,,就是試圖尋找一個公式,,能夠同時描述光與重力??上?,他最終沒有成功。 對這一問題給出答案的,,是Theodor Kaluza和Oskar Klein兩位科學家,,他們的理論我們稱之為“克魯查-克萊因理論”,簡單說,,這個理論就是:在五維空間里,,將光與重力的理論統(tǒng)一了起來。 可是,,第五維到底在哪里,?克魯查說:第五維已經(jīng)崩解成一個圓圈,它的體積實在太小了,,連原子都裝不下,,因而也無法測量。一九二六年,,克萊因甚至計算出第五維的尺寸只有10E-33公分(10的負33次方),,而探測如此微小距離所需要的能量也就是是所謂蒲朗克能量(Planck energy),相當于10E 20億電子伏特,,百萬兆倍于質子蘊藏的能量,。 克魯查-克萊因理論在當時并未收到廣泛關注和普遍認同,領一時風氣之先的是另一套全新的理論:量子力學(quantum mechanics)(碼了這么多字,,原子物理學家終于登場了?。?/p> 8、量子力學,,整合了三種自然相互作用力 一九二五年,,以薛丁格(Erwin Schr?dinger)和海森堡(Werner Heisenberg)為代表的一組科學家,已經(jīng)對原子運動給出了幾近完整的數(shù)學描述,,我們稱之為量子力學,。 這是一套與黎曼、愛因斯坦學說迥異的解釋自然力的理論,,它的主要理論觀點包括: 1,、作用力是由于不連續(xù)的能量包交換而產(chǎn)生(也就是量子:quanta),; 2、不同的作用力的產(chǎn)生來自于不同量子的交換,; 3,、我們永遠無法同時知道次原子粒子的速度及其位置; 這就是著名的海森堡測不準定理,,這個聽起來不怎么靠譜的定理,,卻是半個世紀以來最經(jīng)得起任何實驗挑戰(zhàn)的一個定理,至今,,還沒有任何一個實驗結果違背了這一條定理,。 所謂次原子粒子:就是比原子還要微小的粒子。海森堡測不準定律在哲學上的意義在于,,它從物質構成的最底層,,將所有事物的產(chǎn)生和構成,都解釋為機率的一個表現(xiàn),,而不是一個必然的結果,!換句話說,就是沒有所謂客觀存在,,也沒有所謂必然結果,。這一條,徹底撼動了唯物主義的基石,。 4,、粒子有可能以有限機率進行穿隧或量子跳躍,并穿越不可浸透的障礙物,。 聽起來各種不靠譜是嗎,?但是!這個理論不僅反復被實驗證明,,而且人們甚至根據(jù)該理論制造出了隧道二極管(tunnel diode,或稱江崎二極管),。 量子力學以光子(也就是光的量子)為例,,認為弱作用力和強作用力是源于能量量子的交換,并稱之為“楊-米場”,,這是楊振寧和他的學生米爾斯于一九五四年發(fā)現(xiàn)的理論,。 你造嗎?楊老師年輕的時候有多牛逼,!到一九七O年代,,楊-米場已經(jīng)可以解開所有核子物質的秘密,可以解釋有關于次原子粒子的任何實驗數(shù)據(jù),。在解釋電子與光的交互作用時,,其精確度達到千萬分之一,號稱是有史以來最精確的理論??茖W界對這個理論如此有信心,,以至于稱之為“標準模型”(Standard Model)。 量子力學經(jīng)過五十年的發(fā)展,,成功地整合了四種自然作用力的三種:強作用力+弱作用力+電磁力,。但是,包括楊振寧本人在內(nèi)的許多科學家都認為,,標準模型一定不是最終的大一統(tǒng)理論,,主要原因是該模型并不包括重力! 歷史地看,,可以這么說:量子力學只是根據(jù)次原子粒子的部分外表特性做了整理,,卻未對它們的來源做出任何說明。 9,、超重力論,,在十一維空間統(tǒng)合四種作用力 統(tǒng)合量子理論和重力,以創(chuàng)造出一個“萬有理論”(Theory of Everything),,這個問題挫折了二十世紀最聰明的心智,,包括愛因斯坦,、海森堡等等一眾科學界的巨擎和大碗,,但均不可得。 一九七六年,,紐約州立大學石溪分校的三位物理學家寫下了超重力理論,。簡單說,這個理論對黎曼的“度量張量”模型進行研究,,幾乎實現(xiàn)了愛因斯坦統(tǒng)合已知作用力的夢想,。 他們發(fā)現(xiàn),在一個十一維的度量張量模型里,,包含了自然界里幾乎所有的粒子與作用力:愛因斯坦的重力理論,、楊-米場與麥克斯韋爾場、還有夸克與輕子,。如圖所示: (圖中的括弧,,代表一個十一維的黎曼度量張量場。如果把它簡化成四維,,就是愛因斯坦的重力場,;提高它的維度數(shù),我們就可以推導出麥克斯韋爾方程組和標準化模型,;最終,,在十一維度,,統(tǒng)合了代表四種作用力的所有方程組。) 超重力理論雖然在模型上統(tǒng)合了四種作用力,,但它的缺陷在于在很多關鍵節(jié)點上沒有具體量化的數(shù)學模型和公式,。所以只能成為邁向宇宙統(tǒng)一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。新的,,也是最強大有力的物理學計劃已經(jīng)登場,,它就是:超弦理論(Superstring Theory)。 10,、超弦,,統(tǒng)合所有作用力和自然律 一九六八年,超弦理論被意外發(fā)現(xiàn),。當時,,兩位年輕的理論物理學家在歐洲核子研究中心(CERN)意外發(fā)現(xiàn)十九世紀數(shù)學家尤拉完成的尤拉貝塔函數(shù)(Euler beta funcation)竟然符合幾乎所有描述基本粒子強交互作用所需的全部特質。 什么是弦論呢,?愛因斯坦在后半生中,,一直在尋找統(tǒng)一場論,即一個能在單獨的包羅萬象的數(shù)學框架下描寫自然界所有力的理論,。他渴望以前人從未成功達到過的清晰來揭示宇宙活動的奧秘,,由此而展示的自然界的動人美麗和優(yōu)雅。 如今,,相當一部分物理學家相信他們終于發(fā)現(xiàn)了一個框架,,有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體:一個單一的理論,一個能描述一切現(xiàn)象的理論,,這就是弦論,。它正在實現(xiàn)當年愛因斯坦?jié)M懷熱情追求的統(tǒng)一理論的理想。 弦論可以用來描述引力和所有基本粒子,。它的一個基本觀點就是自然界的基本單元, 如電子,、光子、中微子和夸克等等, 看起來像粒子,,實際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式,,正如小提琴上的弦。 弦理論中的宇宙弦(我們把弦論中的弦稱作超弦,以免與普通的弦混淆)可以作某些模式的振動,。每種振動模式都對應有特殊的共振頻率和波長,。所有的基本粒子, 如電子,、光子,、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發(fā)態(tài),。 每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位,,即普朗克長度(10E -33厘米),。弦實在是太細微了,從遠處觀察,,我們實在無法區(qū)分它究竟是弦的共振還是粒子,。只有當我們把粒子放大,我們才能看出那根本不是一個點狀粒子,,而是一種振動弦,。 按照超弦理論,粒子并非是宇宙的基本元素,,物理定律就相當于琴弦的合音定律,。弦論博大精深,可以解釋所有的自然基本定律,。 簡言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海,,那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產(chǎn)生, 也不斷在湮滅。我們現(xiàn)實的物質世界, 其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂 ! 甚至包含生命復雜信息和編碼的去氧核糖核酸(DNA)分子,,也是類似弦的結構,。弦,是能夠儲存大量數(shù)據(jù)的最精簡的方式之一,。 超弦理論,,以及在其基礎上發(fā)展起來的弦場理論,統(tǒng)合了所有的自然律和作用力,,菲爾茲獎章(諾貝爾獎沒有設立數(shù)學獎,,菲爾茲是數(shù)學界的最高獎項)獲得者維藤說:“所有物理學上的偉大思想,,都是超弦理論的副產(chǎn)品?!?/p> 11,、羅摩奴詹,,確立十維宇宙 超弦理論似乎包含了所有的物理學知識,,極其廣博精深。許多科學家認為,,這是二十一世紀的物理學,意外落入二十世紀,,但是人類還沒有發(fā)明二十一世紀的數(shù)學,,來精確描述它,。 有一個重大秘密:我們只能在二十六維與十維中定義弦論,否則就無法用弦論整合已知的物理定律,。解開這個秘密的,是堪比當年黎曼的另一位數(shù)學天才羅摩奴詹(Srinivasa Ramanujan),。 羅摩奴詹一八八七年出生于印度,少時坎坷,,甚至沒有通過升高三的考試。二十六歲那年,,他給著名數(shù)學家哈代寫了一封信,信中包含了一百二十個定理,。這位貧窮孤立的印度哥們,,完全不知道歐洲數(shù)學界的任何研究資訊,,純粹憑個人才智、按照自己的方法,,重新推導出歐洲百年數(shù)學史的所有重要定律,。 羅摩奴詹的研究成果包含了三冊四百多頁的筆記,其中包含了四千多個公式,。后人在此基礎上總結出了羅摩奴詹模函數(shù)(Ramanujan funcation),這是一個奇特的包含了高達二十四次乘冪的數(shù)學式,。這些數(shù)學式證明:弦論只有在十維中才是自洽的,。也就是說,產(chǎn)生我們現(xiàn)存宇宙的那個高維度宇宙,,它的維度數(shù)一定是十,! (1994年開始了弦論的第二次革命。此后誕生的“M理論”被認為是最新的大一統(tǒng)理論模型,,M理論認為:歷史上五種不同的弦論在本質上被證明是等價的,它們可以從11維時空的M理論導出。) 寫到這兒,,這一段物理詩史基本可以告一段落。從黎曼,、愛因斯坦的重力場,,到量子力學,到超重力論,,到超弦理論,到M理論,,人類歷史上這些偉大的智慧頭腦,,前赴后繼探尋宇宙的真理,已經(jīng)為我們描述了宇宙誕生的全過程,,也就是開始于10E-34秒的創(chuàng)世時間表,。 讓我們一起看看,弦論以降,,科學到底是怎樣解釋我們所存在的這個宇宙的: 12,、宇宙的生滅 一、宇宙的誕生 正如我們之前所介紹的那樣,,創(chuàng)世的剎那,,開始于“大爆炸”Big Bang,,自10E-34秒開始,歷經(jīng)150億年形成我們今天的宇宙,。 宇宙“大爆炸”的實驗證據(jù)主要有以下四點:
|
|
來自: 元東sntpxtmln9 > 《物理》