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泥客推荐:史上物理学的最强科普集合

2017-08-19 10:55:54 文章来源:泥客论坛 字体:

这是一部壮丽的物理史诗,这是一串光耀后世的姓名。他们是:牛顿,高斯,黎曼,麦克斯韦尔,爱因斯坦,杨振宁,拉马努金,霍金,维藤……(且慢,最近十年,我们只能在娱乐版看到的杨老师,居然可以和那些大师比肩吗?可以的!以杨老师和他的学生命名的杨-米场,即所谓标准模型,成功地解释、整合了四种自然力中的三种。)那么,这些智慧的头脑到底有多智慧?

我们普遍接受这样一个结论,即我们现存的这个宇宙起源于一次大爆炸,英文叫做Big Bang!但是,原子物理学家绝不可以止步在如此初级的常识上。

他会告诉你,创世的刹那,是如下的演化阶段:

话说:一切,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。

言归正传,创世的刹那:

§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。

这个时间表,是哪位大神写的科幻小说吧?NO!这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。

的确,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,人类的心智却做到了——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,都有一群知名或者不知名的物理学家和数学家,他们是我们人类最智慧的大脑。

回到时间表的第一个事件,“十维宇宙分裂”,这就是我们今天的主题了:超维度空间。让我们一起看看,两百年来,科学家们是如何探究世界的本源的。首先,我们先厘清一个重要概念:

◆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。在这个时空中你要准确标定一个点,需要四个数字,比如:淮海路、马当路交界,二楼,下午四点。)

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,就像我们看着二维平面上的圆圈一样,你会不会大惑不解、无法想象、或者毛骨悚然?

当然,对于“眼见为实”来说,这其实涉入了一个哲学难题。如果眼见才是真实的,那么高维度的对象就不是真实的。但从另一个角度来看,人不过是动物中的一种,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?

必须承认的事实是: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,有别于超弦理论,认为宇宙是从十一维开始演进的。)

◆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:

1、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。

2、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。

3、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。

4、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超作用力,这时会有什么突破。关于这一点,物理学家Paul Davies写到:“我们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。控制超作用力后,我们便能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,制造出具有不可思议属性的人工世界。我们将成为宇宙的主宰。”

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。

历史地看:每当人类控制一项自然力,都能大幅提升人类所能掌握的能量,让整个社会改头换面。那么,未来的人类需要多大的能量?10E 20亿电子伏特起步,超过了现在的一千亿倍。否则,我们将无法使空间弯曲,解决航行到遥远星际的难题;或者,在宇宙崩溃的瞬间,有足够的能量打开六维宇宙,逃离灭亡的劫难。

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