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泥客推荐:史上物理学的最强科普集合(3)

2017-08-19 10:55:54 文章来源:泥客论坛 字体:

3、原子物理学家们的一系列发现

Ⅰ、量子力学,整合了三种自然相互作用力

一九二五年,以薛丁格(Erwin Schrödinger)和海森堡(Werner Heisenberg)为代表的一组科学家,已经对原子运动给出了几近完整的数学描述,我们称之为量子力学。

这是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的解释自然力的理论,它的主要理论观点包括:

1、作用力是由于不连续的能量包交换而产生(也就是量子:quanta);

2、不同的作用力的产生来自于不同量子的交换;

3、我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置;

这就是著名的海森堡测不准定理,这个听起来不怎么靠谱的定理,却是半个世纪以来最经得起任何实验挑战的一个定理,至今,还没有任何一个实验结果违背了这一条定理。所谓次原子粒子:就是比原子还要微小的粒子。海森堡测不准定律在哲学上的意义在于,它从物质构成的最底层,将所有事物的产生和构成,都解释为机率的一个表现,而不是一个必然的结果!换句话说,就是没有所谓客观存在,也没有所谓必然结果。这一条,彻底撼动了唯物主义的基石。

4、粒子有可能以有限机率进行穿隧或量子跳跃,并穿越不可浸透的障碍物。

听起来各种不靠谱是吗?但是!这个理论不仅反复被实验证明,而且人们甚至根据该理论制造出了隧道二极管(tunnel diode,或称江崎二极管)。

量子力学以光子(也就是光的量子)为例,认为弱作用力和强作用力是源于能量量子的交换,并称之为“杨-米场”,这是杨振宁和他的学生米尔斯于一九五四年发现的理论。到一九七O年代,杨-米场已经可以解开所有核子物质的秘密,可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据。在解释电子与光的交互作用时,其精确度达到千万分之一,号称是有史以来最精确的理论!科学界对这个理论如此有信心,以至于称之为“标准模型”(Standard Model)。

量子力学经过五十年的发展,成功地整合了四种自然作用力的三种:强作用力+弱作用力+电磁力。但是,包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为,标准模型一定不是最终的大一统理论,主要原因是该模型并不包括重力!

历史地看,可以这么说:量子力学只是根据次原子粒子的部分外表特性做了整理,却未对它们的来源做出任何说明。

Ⅱ、超重力论,在十一维空间统合四种作用力

统合量子理论和重力,以创造出一个“万有理论”(Theory of Everything),这个问题挫折了二十世纪最聪明的心智,包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎和大碗,但均不可得。

一九七六年,纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。简单说,这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究,几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。

他们发现,在一个十一维的度量张量模型里,包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力:爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。

超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力,但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向宇宙统一理论慢慢征途上的一块铺路石。新的,也是最强大有力的物理学计划已经登场,它就是:超弦理论(Superstring Theory)

Ⅲ、超弦,统合所有作用力和自然律

一九六八年,超弦理论被意外发现。当时,两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心(CERN)意外发现十九世纪数学家尤拉完成的尤拉贝塔函数(Euler beta funcation)竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。

什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。

如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体:一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式,正如小提琴上的弦。

弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作超弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。

每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10E -33厘米)。弦实在是太细微了,从远处观察,我们实在无法区分它究竟是弦的共振还是粒子。只有当我们把粒子放大,我们才能看出那根本不是一个点状粒子,而是一种振动弦。

按照超弦理论,粒子并非是宇宙的基本元素,物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深,可以解释所有的自然基本定律。

简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海,那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐!甚至包含生命复杂信息和编码的去氧核糖核酸(DNA)分子,也是类似弦的结构。弦,是能够储存大量数据的最精简的方式之一。

超弦理论,以及在其基础上发展起来的弦场理论,统合了所有的自然律和作用力,菲尔兹奖章(诺贝尔奖没有设立数学奖,菲尔兹是数学界的最高奖项)获得者维藤说:“所有物理学上的伟大思想,都是超弦理论的副产品。”

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