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物理界名人的科技探索中研究時間和空間的轉換

來源: 瞭望智庫 2016-10-21 10:46

科學中又無窮之境的東西,等著人們去用科技探索,在悠久的歷史中很多物理界名人們都去發現了很多東西,也證實了很多科學依據,但是這只是科學中的冰山一角,很多未知的領域還有以前和未來等等,都是人們證實不了的,比如時間和空間的轉換,人們只能得出結論,今天我們就來隨便聊聊科學中的一些知識吧。

事情是這樣的,這周商老師給學生講3dmax的課。為了讓學生了解三視圖我就順便科普了一下什么是零維、一維、二維、三維空間。講完不過癮,感覺一支粉筆一塊黑板講維度是一件很爽的事情,那么.........接下來

請同學們打開腦洞,看商老師用一支筆幾張紙來為同學們展開從零維空間到十維空間之旅吧!

零  維

讓我們從一個點開始,和我們幾何意義上的點一樣,它沒有大小、沒有維度。它只是被想象出來的、作為標志一個位置的點。它什么也沒有,空間、時間通通不存在,這就是零維度。

一維空間

好的,理解了零維之后我們開始一維空間。已經存在了一個點,我們再畫一個點。兩點之間連一條線。噔噔噔!一維空間誕生了!我們創造了空間!

一維空間只有長度,沒有寬度和深度。

二維空間

我們擁有了一條線,也就是擁有了一維空間。如何升級到二維呢?很簡單,再畫一條線,穿過原先的這條線,我么就有了二維空間,二維空間里的物體有寬度和長度,但是沒有深度。你可以試一試,在紙上畫一個長方形,長方形內部就是一個二維空間。

這里,為了幫助大家方便理解高維度的空間,我們用兩條相交的線段來表示二維空間。

為了向更高的維度前進,現在我們現在來想象一下二維世界里的生物。因為二維空間沒有深度(也可以理解成厚度),只有長度與寬度,我們就可以將它理解成“紙片人”,或者是撲克牌K.J.A Q里的畫像。因為維度的局限,這個可憐的二維生物也只能看到二維的形狀。如果讓它去看一個三維的球體,那么他只能看到的是這個球體的截面,也就是一個圓。

三維空間

三維空間大家肯定熟悉,我們無時無刻都生活在三維空間中。三維空間有長度、寬度與高度。

但是,我要用另一種思維來表達三維空間,只有這樣,才可以向更高維度推進。

好,現在我們有一張報紙,上面有一只螞蟻。我們就姑且把螞蟻君看作是“二維生物”,我在二維的紙面上移動。如果要讓他從紙的一邊爬到另一邊,則螞蟻君需要走過整個紙張。但是我們把這張紙卷起來呢?成為一個圓柱,一個三維空間里的物體;這時螞蟻君只需要走過接縫的位置,就到達了目的地。(對了!就是傳說中的蟲洞)換句話說,把二維空間彎曲,就得到了三維空間,我們就可以這樣來表達。

再解釋一遍,在這個圖示上,螞蟻從A點消失,B點出現,你們想想,就是這意思,卷曲產生新的維度!

好了,開始進入燒腦階段!

前三個維度我們可以簡單理解成長、寬、高。那么我們怎么理解四維空間?

四維空間

四維比三維多一維,它是什么?是時間!

想象一下,左邊有一個1分鐘之前的我,右邊則是現在我,將這“兩個我”看成兩個點 ,穿過他們連線,它就是四維空間里的線。太棒了,四維空間出現了!

那么在現實當中我們可以看到過去和未來的我么?不能!因為我們是三維生物,活在三維空間中。 就像上文提到的,那位二維生物只能看到三維物體的截面一樣,我們作為三維生物,只能看到四維空間的截面,也就是現在的你、我、他;換句話說就是此時此刻的世界 。

你們還可以么?我要開始講五維空間了哦。

五維空間

首先我們要明確一點,低維度生物不能意識到高維度空間發生的事情。我們從出生到現在,都感覺自己在同一個空間里。我們常說“隨著時間的推移”,其實就是沿著時間線向前,這條時間線就是四維空間里的那條線,換句話說,三維的我們沿著四維空間里的時間線向前走。

假如我們是四維空間生物,我們就可以看到過去、現在、將來各個時段的我們自己。但是,時間線只有一條,還記得前文中兩條線交叉,將一維升級為二維么?那么現在,在四維這條時間線的基礎上,我再加一條時間線和這條時間線交叉,五維空間就出現了!

不懂?沒關系!例子舉起來!比如說,你大學畢業參加工作,工作了5年,現在是一名經理,那么四維空間里你只能看到大學畢業的你以及成為白領的這條時間線上的你。 如果當初你初中畢業就去學烹飪,現在是一名廚師。那么這就是另一條時間線上的你。

在五維空間中,你可以看到成為經理的你,也可以看到成為廚師的你。總結的說,五維空間,你可以看到你未來的不同分支。

六維空間

OK 我開始解釋六維空間。現在的你如果想拜訪一下過去的你,怎么辦?我們可以將四維空間中任意一條時間線彎曲,這樣你就可以跳回以前,去見以前的你。換句話說,五維空間中,你可以“穿越”回到一條時間線上的過去。

還是拿“經理的你”和“廚師的你”舉例子,廚師的你感覺日子很艱辛,每天油煙嗆人,你想成為經理,安安靜靜在辦公室里坐著。怎么辦?五維空間中,你可以穿越到你初中畢業的時候,告訴以前的你,一定要繼續讀書,上高中,考大學,做白領。不過這很費力,而且風險很大,初中畢業的你需要作出不同的選擇,每一種選擇都會產生一個新的時間線,一個不同版本的未來。

你們還記得二維空間中螞蟻君和報紙么?彎曲一個空間產生一個新的維度。對了!我們直接把五維空間彎曲,產生六維空間。這樣,你就可以穿越到“經理的你”這條時間線,看一看另一個版本的你。

七維空間

如果你能看到這里,恭喜你,你的腦洞已經很大了。

好,我們繼續,七維空間走起來。還是那個例子,前面提到兩個時間線:經理與廚師。初中畢業的你,不可能只有這兩種選擇,而是近乎無限。怎么解釋,你的每一個決定都在塑造出一個特有的你。你可以成為任何一種你。概括地說,初中畢業的你是一個起點,所有的時間線。都從這個點向外輻射,數量是無窮大,那么最后,七維空間里的一個點,里面包含著“初中畢業的你”開始的無限種可能。

那么怎么畫出七維空間里的一條線?我們需要另一個點,但是這個點已經包含了無限,如何再去找另外一個點?那就是另一種開端。

沒關系,我們舉例子,你會懂得。前文中我們提到由“初中畢業的你”為開端而產生的七維無限點;如果你小學畢業的時候就作出不同的選擇呢?每一個選擇又會塑造一個不同的你;那么以“小學畢業的你”為開端,就會產生另一個包含著無限時間線的點。將這兩點連成一條線,就是七維空間的線。

八維空間

還記得文章開始時提到的一維的線么?我們把另外一條線穿過它,就變成了二維空間。同樣的道理,我們來給七維空間升級。例子呢,還是那個“你”。我們又找到了兩個點,一個是由“大學畢業的你”為開端產生的七維無限點,另一個是由“50歲的你”為開端產生的無限點。將這兩點連線,與上文中那條連接“初中畢業的你”無限點“小學畢業的你”無限點的這條線相交。我們就得到了八維空間!

九維空間

好了,講到這里,你其實可以想象出九維空間是什么樣了。我們把八維空間理解成那張報紙,平平的。這時螞蟻君又出現了,不過它已經進化成八維空間生物了,給它一樣的任務,要他橫跨整個報紙去目的地,怎么辦?將報紙再一次卷起來,蟲洞又出現了。螞蟻君順利穿過蟲洞出現在目的地。也就是說,將八維空間繼續卷曲,我們就得到了九維空間!

十維空間

這里我來總結一下,回顧上文,從零維到四維,我們經歷了點、線、面、體這個升級流程。然后四維空間又可以看做一點,充滿著三維空間中所有可能性的連線,這個連線就是時間。

從四維到八維,我們又經歷了點、線、面、體的升級流程。八維的點,充滿著七維空間中所有可能性的連線。

八維空間繼續升級。還是那個“你”,以八維空間的點為起始,我們必須想出所有的可能,每一種可能都與八維的這個點相連,最后,我們得到十維空間里的一個點,充滿著九維空間中所有可能性的連線。

還能再升級么?不能了,在十維空間中,我們找不到任何一個空間可以在劃出一個點,因為,十維空間就是一個點!

它包含著所有的宇宙、所有的可能性、所有的時間線、所有的所有...........

從零位到十維,我們經歷了這么多,最后,它還是一個點...... 有趣么?

延伸閱讀:

這應該是關于物理學最強的科普!

本文摘編自微信公眾號“中科院物理所”(ID:cas-iop),不代表瞭望智庫觀點

這是一部壯麗的物理史詩,這是一串光耀后世的姓名。他們是:牛頓,高斯,黎曼,麥克斯韋爾,愛因斯坦,楊振寧,羅摩奴詹,霍金,維藤……(且慢,最近十年,我們只能在娛樂版看到的楊老師,居然可以和那些大師比肩嗎?可以的!以楊老師和他的學生命名的楊-米場,即所謂標準模型,成功地解釋、整合了四種自然力中的三種。)

那么,這些智慧的頭腦到底有多智慧?

我們普遍接受這樣一個結論,即我們現存的這個宇宙起源于一次大爆炸,英文叫做Big Bang!

但是,原子物理學家絕不可以止步在如此初級的常識上。他會告訴你,創世的剎那,是如下的演化階段:

話說:一切,開始于10E^- 43 秒……(10的負43次方秒,也稱為普朗克時間,人類已知的最小時間存在。普朗克時間=普朗克長度/光速。光速定義值:c=299792458m/s=299792.458km/s。請注意了,這是一個定義值,而不是一個測量值。

言歸正傳,創世的剎那:

1

創世時間表

# 10E-43秒,十維宇宙分裂成一個四維宇宙和一個六維宇宙。六維宇宙崩潰,縮成10E-32公尺。四維宇宙(我們今天所在的宇宙)則迅速爆炸,此時的溫度高達10E32(10的32次方)度;

# 10E-35秒,大一統作用力崩解;

# 10E-9秒,電弱對稱崩解,此時的溫度是10E15度;

# 10E-3秒,夸克開始凝聚,中子與質子出現,此時的溫度是10E14度;

# 3分鐘,質子與中子開始凝聚成穩定的原子核;

# 30萬年,電子開始凝聚在原子核周圍,第一個原子出現;

# 30億年,第一個似星體(quasar)出現;

# 50億年,第一個星系出現;

# 100~150億年,太陽系誕生,又經過數十億年,地球上出現了第一個生命。

這個時間表,是哪位大神寫的科幻小說吧?NO!這是目前已經成為眾多科學家普遍共識的創世時間表。

的確,表中所述的那個數量級上的時間、長度、溫度等等所有的數值,沒有任何一個是可以直接測量的,因為目前咱們人類的技術和工具水平,還遠遠不能企及到那個數量級。但是,人類的心智卻做到了。這個時間表里面的每一個數字的背后,都是一堆嚴密的公式和演算,都有一群知名或者不知名的物理學家和數學家,他們是我們人類最智慧的大腦。

回到時間表的第一個事件,“十維宇宙分裂”,這就是我們今天的主題了:超維度空間。讓我們一起看看,兩百年來,科學家們是如何探究世界的本源的。

讓我們先厘清一個重要概念:

2

維度和多維宇宙

一只在直線上行走的毛毛蟲只能前后移動,所以,我們把直線或曲線叫做:一維空間;

一只阿米巴扁平蟲可以在球面上前后左右移動,所以,我們把平面或曲面叫做:二維空間;

一只鳥在我們的空間可以上下前后左右移動,所以,我們的空間叫做是:三維空間;

(加上時間一維,我們的世界是四維的,合稱時空。在這個時空中你要準確標定一個點,需要四個數字,比如:淮海路、馬當路交界,二樓,下午四點。)

依此類推,,,

如果,有人告訴你,多維空間(四維以上)的人,看著我們的保險柜或房子時根本就是內外一目了然,就像我們看著二維平面上的圓圈一樣,你會不會大惑不解、無法想象、或者毛骨悚然?

當然,對于’眼見為憑’來說,這其實涉入了一個哲學難題。如果眼見才是真實的,那么高維度的對象就不是真實的。但從另一個角度來看,人不過是動物中的一種,阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界,我們如何證明我們所能感知的所謂’真實’,豈不是也受限于我們自己的認知條件?

必須承認的事實是:人類的大腦和眼睛,只是為了應付三維空間和四維時空的各種情況演化出來的,因此它們不具備辨識和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認為:宇宙真正的時空,其實是一個十維的空間,其中四維是愛因斯坦的時空流形(也就是我們的日常生活空間),另外一個和它’垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中,有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說法,十維空間是宇宙這座大琴的音箱,撥動這些弦造成不同的音高與音色,于是產生不同的基本粒子,進而發展出所有的物質與作用力。(最新的M理論,有別于超弦理論,認為宇宙是從十一維開始演進的。)

3

只有四種自然力

兩千年來,科學家已經發現我們宇宙的所有現象,都可以簡化成四個作用力:

1、電磁力(electromagneticforce):包括電力、磁力和光本身,合稱為電磁力。電荷(磁級)正負相同為排斥力,相反為吸引力。由光子傳遞,與電量成正比,距離成反比。長程力,在四種力中第2強。

2、強核力 (strong nuclearforce):是夸克之間的吸引力,由膠子傳遞(束縛質子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子傳遞)。在有效距離內,距離越大,力約大。短程力,在四種力中最強,也是恒星燃燒能量的自然力,氫彈的爆炸正是運用強核力的原理。

3、弱核力 (weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物質的衰變形態,是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞,較弱,短程力,作用在夸克級的粒子。是四種力中第3強的。

4、重力 (gravitational force,或稱引力):由引力子傳遞,與質量成正比,距離成反比。長程力,在四種力中最弱。

4

為何要統一自然力?

一旦人類將所有的作用力整合成一個超作用力,這時會有什么突破。關于這一點,物理學家Paul Davies寫到: 

“我們能夠改變時空的結構,了解宇宙萬物的來龍去脈,讓物質變得井然有序。控制超作用力后,我們便能任意地組合與改變粒子,制造出前所未有的物質形態。我們甚至能左右空間的維度數,制造出具有不可思議屬性的人工世界。我們將成為宇宙的主宰。”

回看一下人類掌握“力”的歷史:

人類誕生的歷史超過數千萬年,在99.99%時間里,人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量,大概只有八分之一馬力;

十萬年前,隨著手持工具的發明,人類的能量輸出倍增,達到一又四分之一馬力; 

牛頓發現萬有引力和運動定律,讓力學被簡化成條理分明的方程組。現代機械原理催生出蒸汽機,人類掌握的能量達到數十到數百馬力;

麥克斯韋爾方程式,啟迪了愛迪生等發明家,人類進入電力時代,能量級數獲得飛躍,極大地改變了人們的生活。

愛因斯坦的相對論為人類打開了核能利用的時代,人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

歷史地看,每當人類控制一項自然力,都能大幅提升人類所能掌握的能量,讓整個社會改頭換面。(那么,未來的人類需要多大的能量?10E 20億電子伏特起步,超過了現在的一千億倍。否則,我們將無法使空間彎曲,解決航行到遙遠星際的難題;或者,在宇宙崩潰的瞬間,有足夠的能量打開六維宇宙,逃離滅亡的劫難。)

下面,就讓我們按照時間順序,回顧一下人類整合四種自然力的歷程:

(本文雖然涉及諸多專有詞匯,但我們盡量直白描述。理解這些前輩的偉大思想其實不難,并不需要多少艱深的專業知識,只要:一點常識+一點邏輯+一點耐心。)

第一個走進這段物理史詩的,是一位數學家:黎曼。

5

黎曼,支撐愛因斯坦的巨人

牛頓曾經說:“如果說我比別人看得更遠些,那是因為我站在了巨人的肩上”。按照牛頓的這種說法,黎曼毫無疑問正是支撐起愛因斯坦的那個巨人。

一八五四年六月十日,一套新的幾何學誕生了。黎曼在德國哥廷根大學發表了著名的演說,徹底撼動了兩千年來從未被動搖過的歐幾里德幾何學。

黎曼是位數學奇才,高中時期只用區區六天時間完全吸收了《數論》(Theory of Number),那是一部八百五十九頁的艱澀巨著。

黎曼挑戰希臘幾何學,認為縱然歐幾里德的數學運算極為精確,它的根基卻只是常識與直覺的流沙,而不是扎實的邏輯推演結果。

比如,歐式幾何說三角形三個內角之和等于一百八十度,但這個看似簡單的問題,在數學史上卻從來沒有被嚴密證明過!而且,假如我們身處彎曲表面的世界,這個公式就不成立了。(行文至此,我們必須向歐幾里德先生表達誠摯的敬意!每次想到他老人家兩千多年前寫就的《幾何原本》至今仍然是全世界的中學課本,我就不寒而栗!那些至今未被嚴密證明過的公理,一個生活于公元前300年的希臘人是如何發現的吶?如果這個世界有“神跡”,歐先生當之無愧是其中之一!)

說回到黎曼,他的研究領域甚至延伸到電學,他認為電力與磁力實際上是同一種作用力的不同表象。據此他發展出作用力新解,作出了牛頓兩百年以降的首次劃時代重大突破,徹底推翻了牛頓的超距作用原則,他認為:作用力源自于幾何學,作用力只是由于幾何結構扭曲所造成的必然現象。(牛頓以降,科學界認為作用力是一種兩個遙距物體的即時交互作用,一個物體可以即時影響間隔一段距離的其他物體的運動。

我們總結一下黎曼的偉大之處:

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,愛因斯坦發現世界上似乎并沒有能夠追上光速的東西。二十六歲時,他用嚴密的數學證明了這一發現。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。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!(這是石破天驚的一句)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現: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,統一了“時-空”,也統一了“質-能”。

統一了“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,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,已經被后人的無數次實驗反復證明。)

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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,用數學形式表達了他自己的物理學新發現,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。可惜,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一了起來。

可是,第五維到底在哪里?克魯查說:第五維已經崩解成一個圓圈,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!)

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,已經對原子運動給出了幾近完整的數學描述,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的能量包交換而產生(也就是量子:quanta);

2、不同的作用力的產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得起任何實驗挑戰的一個定理,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,將所有事物的產生和構成,都解釋為機率的一個表現,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現的理論。

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據。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。科學界對這個理論如此有信心,以至于稱之為“標準模型”(Standard Model)。

量子力學經過五十年的發展,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的許多科學家都認為,標準模型一定不是最終的大一統理論,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,在十一維空間統合四種作用力

統合量子理論和重力,以創造出一個“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,幾乎實現了愛因斯坦統合已知作用力的夢想。

他們發現,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,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合了四種作用力,但它的缺陷在于在很多關鍵節點上沒有具體量化的數學模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統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登場,它就是:超弦理論(Superstring Theory)

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超弦,統合所有作用力和自然律

一九六八年,超弦理論被意外發現。當時,兩位年輕的理論物理學家在歐洲核子研究中心(CERN)意外發現十九世紀數學家尤拉完成的尤拉貝塔函數(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,一直在尋找統一場論,即一個能在單獨的包羅萬象的數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雅。

如今,相當一部分物理學家相信他們終于發現了一個框架,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,一個能描述一切現象的理論,這就是弦論。它正在實現當年愛因斯坦滿懷熱情追求的統一理論的理想。

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態。

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, 它們不斷在產生, 也不斷在湮滅。我們現實的物質世界, 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,是能夠儲存大量數據的最精簡的方式之一。

超弦理論,以及在其基礎上發展起來的弦場理論,統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學獎,菲爾茲是數學界的最高獎項)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品。”

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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,但是人類還沒有發明二十一世紀的數學,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(Ramanujan funcation),這是一個奇特的包含了高達二十四次乘冪的數學式。這些數學式證明:弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說,產生我們現存宇宙的那個高維度宇宙,它的維度數一定是十!(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:

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宇宙的生滅

一、宇宙的誕生

正如我們之前所介紹的那樣,創世的剎那,開始于“大爆炸”Big Bang,自10E-34秒開始,歷經150億年形成我們今天的宇宙。

宇宙“大爆炸”的實驗證據主要有以下四點:

1、經由測量恒星光線的扭曲的現象,一再證實恒星正以高速遠離我們而去,而且,離我們越遠的恒星或星系,會以越高的速度遠離我們而去;

2、“大爆炸”理論預測宇宙中氦與氫的比例應該接近25% : 75%,實際測量數據與該預測高度吻合;

3、通過對放射性物質衰變的測量,我們可以為地球上的巖石和隕石斷年,目前沒有發現任何物體可以追溯到“大爆炸”之前;

4、“大爆炸”產生了宇宙回音,這種微波輻射至今仍在宇宙回響,一九六五年,人類偵測到了這個微波背景輻射(microwave backgroundradiation)。

二、宇宙的滅亡

我們先看看每顆恒星的生命歷程: 

恒星由大量氫氣聚合形成,氫元素融合形成氦,由于氫質子的重量超過氦質子的重量,因此氫聚合成氦時就會有多余的質量,這些質量依據愛因斯坦的質-能公式 E=mc2成為能量,這個能量將原子核束縛在一起,并將部分能量釋放出來,使太陽發光發熱。

之后,經過數十億年光陰,氫氣逐漸耗盡,核熔爐逐漸熄滅,重力成為優勢作用力使恒星兩次塌陷,恒星溫度此時會急劇升高,成為“紅巨星”,再然后成為“白矮星”,“白矮星”爆炸成為“超新星”和“中子星”,“中子星由于重力繼續塌陷,最后成為“黑洞”。

在這一歷程中,恒星內部的元素按照“結合能量曲線“依次變化。

恒星中的氫元素按照這個曲線一再融合成為更重元素之后便會到達鐵,而無法再制造出額外的能量,這時,恒星崩潰并釋放出大量熱量,超新星于焉誕生,這種劇烈爆炸將星體炸碎并將殘骸遍灑星際空間,成為孕育新恒星的種子。

在描述完恒星的生命周期后,我們再看看包含無數顆恒星并見證無數次恒星生滅的宇宙本身,它將何去何從?

根據愛因斯坦的廣義相對論,宇宙的結局無限悲泣。要么,就是不斷膨脹,直到溫度接近絕對零度;要么,就是大崩墜,收縮成一團火球。如果宇宙是一個無限邊界的開放宇宙,它就會被“冰”毀滅;如果宇宙是一個有邊界的封閉宇宙,它就會被火毀滅。

物理學家通過平均密度來判斷宇宙到底是不斷膨脹還是會逆轉走向大崩墜,如果宇宙平均密度小于10E-29 克/立方公分,宇宙就會不斷膨脹,否則,將會陷入大崩墜。

量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景,那就是質子和中子衰變。根據大一統理論,我們所知道的一切物質,包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。

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問題是:產生宇宙的大爆炸之前是什么?

在了解了恒星乃至整個宇宙的生命歷程之后,必須要回答的問題是:在這個剎那之前吶?是否有那個第一推動力?或者說,是否有那個點燃Big Bang的上帝存在吶?

數百年來,伴隨著科學發現的不斷積累,宗教界關于上帝存在的堅持已經退守到這樣一個境地,那就是說:大霹靂之前到底發生了什么?牛頓生前并沒有能夠解答這個關于“第一推動”的問題,他把它歸功于“上帝之手”。

但事實上,以超弦理論為集大成者,今天的科學家群體,不僅給出了Big Bang創世之后的宇宙發展歷程(包括宇宙消亡的歷程),同時也給出了Big Bang之前的宇宙存在的假說,那就是關于平行宇宙、黑洞、蟲洞等相關理論。這些理論在解答了“第一推動”這個疑問的同時,再次撼動了上帝存在的證明。

昔日尼采有言“上帝已死”,現在霍金在《大設計》第一頁上就宣稱“哲學已死”,因為“哲學跟不上科學,特別是物理學現代發展的步伐”。這是一個極為傲慢的“宣言”。他的意思是,世界本源是所有哲學流派的終極思考,而現在科學界已經給出了世界本源和宇宙發展的全部解釋,所以,哲學的使命已經終結了。

的確!“唯物”、“唯心”,甚至“客觀存在”,都已經被量子理論、超弦理論徹底動搖!

與此同時,上帝也被霍金“掃地出門”,他在《大設計》末尾宣稱:因為存在像引力這樣的法則,所以宇宙能夠“無中生有”,自發生成可以解釋宇宙為什么存在,我們為什么存在。所以“不必祈求上帝去點燃導火索使宇宙運行”。也就是說,上帝現在不再是必要的了。(請參看霍金《哲學已死》,朱清時《物理學步入禪境:緣起性空》)

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霍金,平行宇宙

黑洞是使霍金名滿天下的研究,在那之后,他創立了量子宇宙學(quantum cosmology),以愛因斯坦的古典宇宙學為出發點,再將整個宇宙量子化,試圖完成那個前輩物理學家的未竟事業“統一場論”,統合小到夸克、大到銀河星際甚至整個宇宙的所有自然律。事實上,霍金的理論甚至遠遠超出了我們的宇宙!

他的新構想是將整個宇宙看成一個量子粒子,用宇宙波函數來描述多重宇宙(不止一個,是無數個宇宙)的無窮集合。按照霍金的理論,我們的宇宙,只是無數的平行宇宙之一,每個宇宙都透過復雜的蟲洞系統與其他宇宙相連結。

如果霍金說的沒錯,世上就存在著無數的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常數,大多數宇宙都是一片死寂,不具備孕育生命的物理定律。但是在某一個宇宙中,它的物理定律恰好符合生命的條件,這就是我們的宇宙。

如果這種理論屬實,我們就不必把生命的起源歸諸于上帝。

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宇宙航行 & 遁入高維度宇宙

前文說過,太陽系乃至這個宇宙,終究難逃消亡的命運。那么,智慧生物是否作為宇宙的一部分因而最終難逃滅亡的宿命吶?

我們的希望,就在十維宇宙和超弦理論!

按照超弦理論,我們的宇宙誕生于一個十維宇宙,由于這個十維宇宙的對程結構不穩定,在“大爆炸”時分解為一個四維宇宙(我們現在的宇宙)和一個六維宇宙。四維急劇膨脹,歷經150億年形成了我們今天的宇宙;而六維宇宙則急劇收縮成為一個10E-32公分的微小世界。

這個六維宇宙在哪里?它就在我們的周圍!只是因為它太微小以至于無法觀測得到。假如,我們能夠觀測得話,它會是什么樣子吶?這是近幾十年內大量數學家、物理學家研究的課題。其中,以華裔科學家丘成桐命名的卡拉比-丘流形是比較得到認可的一個答案。

上圖是一個六維卡拉比-丘流形的二維截面圖。也是說,該圖相當于是一個六維空間的“影子”。

接著說,當我們的四維宇宙崩潰時,與大爆炸那一刻相反,原本收縮的那個六維宇宙開始慢慢展開,智慧生物有機會在這一個瞬間,由四維宇宙逃入六維宇宙,獲得新生。

這一個過程,需要我們掌握更強大的力和能量,才能駕控宇宙,獲得新生。舉例說:那時我們需要極高速的宇宙飛船,但根據狹義相對論我們知道我們永遠不可能達到光速,那么我們怎么跨越動輒以光年計數的漫漫長路吶?不違反愛因斯坦的自然律而又能夠實現可能的時空跨越的方法,就是人為把時空彎曲。

打一個容易理解的比方,就好比在地毯的另一邊有一個瓶子,我們不需要走到地毯的那一邊去拿到它,我們可以坐在原地,把地毯逐漸拉向我們,通過使地毯逐漸卷曲,來拉近我們和瓶子的距離,以這樣的方法最終拿到瓶子。

這就是不需要跨越距離,但是卻可以從一點到達另一點的方法:彎曲時空。而彎曲時空所需要的能量,是我們現在所掌握能量的一千億倍。這就是統合自然力的目的所在。

前文說到,量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景,那就是質子和中子衰變。根據大一統理論,我們所知道的一切物質,包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。

那時,智慧生物就需要用新的質子和中子合成新的原子核。這同樣需要巨大的能量,和彎曲時空所需要的數量級相當。這也是統合自然力的意義所在。

結語

我們贊美數百多年來科學進步過程中的這些先驅,是他們智慧的心智,讓我們人類只憑借頭腦和一些工具,就可以計算出支配數十億光年外的物質的定律,我們只有微不足道的能源,甚至還沒有離開太陽系,但我們已經知道恒星深處的核子反應或原子核內的情況。

我們在這個不起眼的小行星上發現的物理定律,卻適用于宇宙的各個角落,我們的思想能了解并控制星星的宇宙法則,我們體內的原子原是某個恒星的核融合反應的產物,我們的原子比山的年代還久遠,我們是由宇宙塵造成的,這些原子又凝聚成能了解宇宙法則的智慧生物。

讓我們以霍金的一段話作為結語:

“如果我們真能發現一個完全的理論,如果我們能討論出答案,這將是人類理智的最大成就-屆時我們就能知道上帝的想法了。”

附文:

世界上最前沿的那些實驗室究竟長啥樣?

本文摘編自微信公眾號“中科院物理所”(ID:cas-iop),不代表瞭望智庫觀點

科研是一項非常枯燥的工作,離不開常年累月的實驗、無盡的公式和理論,但在我們這些外人看來,很多前沿科學領域都充滿了科幻電影的味道。實驗室里各種高能的“大玩具”、密集的線纜和神秘的光線,一定程度上也滿足了人們對科幻的幻想。一起來欣賞一下這些世界上最先進實驗室里面的樣子。

美國伯克利國家實驗室的先進光源ALS項目,它是世界上紫外線和軟X射線束流最亮的光源

歐洲同步輻射光源ESRF真空波蕩器

美國斯坦福大學軟X射線裝置

科學家在利用加拿大光源(CLS)的REIXS(X射線散射)研究科研樣本

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置,這一套裝置最終目的是讓192臺激光裝置在十億分之一秒內同時發射并擊中鉛筆頭大小的燃料球。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室,該實驗室現在的主要任務是利用計算機進行模擬核試驗和對國家核武庫的管理。通過利用實驗設施可以對核爆進行完全的模擬而不需要真正地引爆核彈。

歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的超環面儀器(ATLAS)行的線纜。該機構的主要功能是為高能物理學研究的需要,提供粒子加速器和其它基礎設施。

美國愛達荷國家實驗室,這里主要研究各種核材料

阿德菲實驗中心里的紅外激光實驗

北卡羅來納電子顯微鏡

美國布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機。在這里科學家首次觀察到了新型反物質反氦-4,這是迄今科學家觀察到的最重反物質。

桑迪亞國家實驗室Z機器,該實驗室主要研究的熱核反應,該實驗室的加速器在運行過程中會產生大量閃電狀電弧。

費米國立加速器實驗室MINOS(主注入器中微子震蕩尋找)實驗中的一部分儀器。

杰斐遜實驗室低溫恒溫組超導諧振器

澳大利亞特高壓實驗室

斯坦福大學利用激光對晶體進行測試

看了那么多國外的實驗室,也展示一下我們物理所兩個實驗室的圖片

物理所微加工實驗室電子束曝光系統

網友薦論

  • 很用心,寫的很好啊,配圖滿分,這么高深的知識正確與否并不重要,前面的緯度了解一下就好。
  • 恨自己不能看到以后得科技
  • 很好理解,死了以后就進五維空間了,哪個消失的粒子不就是死掉了。這么大的力撞一下不死才怪了
  • 很棒的解釋啊,終于看懂了
  • 黑洞就是通往另一個維度的口子 因為維度壓力不一樣 一旦開了口子 附近的星體都被吸進去了 像水中漩渦一樣
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