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泥客推荐:史上物理学的最强科普集合(4)

2017-08-19 10:55:54 文章来源:泥客论坛 字体:

4、拉马努金,确立十维宇宙

超弦理论似乎包含了所有的物理学知识,极其广博精深。许多科学家认为,这是二十一世纪的物理学,意外落入二十世纪,但是人类还没有发明二十一世纪的数学,来精确描述它。

有一个重大秘密:我们只能在二十六维与十维中定义弦论,否则就无法用弦论整合已知的物理定律。解开这个秘密的,是堪比当年黎曼的另一位数学天才拉马努金(Srinivasa Ramanujan)。

拉马努金一八八七年出生于印度,少时坎坷,甚至没有通过升高三的考试。二十六岁那年,他给著名数学家哈代写了一封信,信中包含了一百二十个定理。这位贫穷孤立的印度哥们,完全不知道欧洲数学界的任何研究资讯,纯粹凭个人才智、按照自己的方法,重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律。

拉马努金的研究成果包含了三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数(Ramanujan funcation),这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说,产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,它的维度数一定是十!(1994年开始了弦论的第二次革命。此后诞生的“M理论”被认为是最新的大一统理论模型,M理论认为:历史上五种不同的弦论在本质上被证明是等价的,它们可以从11维时空的M理论导出。)

写到这儿,这一段物理诗史基本可以告一段落。从黎曼、爱因斯坦的重力场,到量子力学,到超重力论,到超弦理论,到M理论,人类历史上这些伟大的智慧头脑,前赴后继探寻宇宙的真理,已经为我们描述了宇宙诞生的全过程,也就是开始于10E-34秒的创世时间表。

让我们一起看看,弦论以降,科学到底是怎样解释我们所存在的这个宇宙的:

Ⅰ、宇宙的诞生

正如我们之前所介绍的那样,创世的刹那,开始于“大爆炸”Big Bang,自10E-34秒开始,历经150亿年形成我们今天的宇宙。

宇宙“大爆炸”的实验证据主要有以下四点:

1、经由测量恒星光线的扭曲的现象,一再证实恒星正以高速远离我们而去,而且,离我们越远的恒星或星系,会以越高的速度远离我们而去;

2、“大爆炸”理论预测宇宙中氦与氢的比例应该接近25% : 75%,实际测量数据与该预测高度吻合;

3、通过对放射性物质衰变的测量,我们可以为地球上的岩石和陨石断年,目前没有发现任何物体可以追溯到“大爆炸”之前;

4、“大爆炸”产生了宇宙回音,这种微波辐射至今仍在宇宙回响,一九六五年,人类侦测到了这个微波背景辐射(microwave backgroundradiation)。

Ⅱ、宇宙的灭亡

我们先看看每颗恒星的生命历程:

恒星由大量氢气聚合形成,氢元素融合形成氦,由于氢质子的重量超过氦质子的重量,因此氢聚合成氦时就会有多余的质量,这些质量依据爱因斯坦的质-能公式 E=mc²成为能量,这个能量将原子核束缚在一起,并将部分能量释放出来,使太阳发光发热。

之后,经过数十亿年光阴,氢气逐渐耗尽,核熔炉逐渐熄灭,重力成为优势作用力使恒星两次塌陷,恒星温度此时会急剧升高,成为“红巨星”,再然后成为“白矮星”,“白矮星”爆炸成为“超新星”和“中子星”,“中子星由于重力继续塌陷,最后成为“黑洞”。

在这一历程中,恒星内部的元素按照“结合能量曲线“依次变化。

恒星中的氢元素按照这个曲线一再融合成为更重元素之后便会到达铁,而无法再制造出额外的能量,这时,恒星崩溃并释放出大量热量,超新星于焉诞生,这种剧烈爆炸将星体炸碎并将残骸遍洒星际空间,成为孕育新恒星的种子。

在描述完恒星的生命周期后,我们再看看包含无数颗恒星并见证无数次恒星生灭的宇宙本身,它将何去何从?

根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙的结局无限悲泣。要么,就是不断膨胀,直到温度接近绝对零度;要么,就是大崩坠,收缩成一团火球。如果宇宙是一个无限边界的开放宇宙,它就会被“冰”毁灭;如果宇宙是一个有边界的封闭宇宙,它就会被火毁灭。

物理学家通过平均密度来判断宇宙到底是不断膨胀还是会逆转走向大崩坠,如果宇宙平均密度小于10E-29 克/立方公分,宇宙就会不断膨胀,否则,将会陷入大崩坠。

量子力学还描述了另外一种宇宙消亡的情景,那就是质子和中子衰变。根据大一统理论,我们所知道的一切物质,包括太阳系和地球、也包括智慧生物身体内的质子和中子最终都会分解。

问题是:产生宇宙的大爆炸之前是什么?

在了解了恒星乃至整个宇宙的生命历程之后,必须要回答的问题是:在这个刹那之前呐?是否有那个第一推动力?或者说,是否有那个点燃Big Bang的上帝存在呐?

数百年来,伴随着科学发现的不断积累,宗教界关于上帝存在的坚持已经退守到这样一个境地,那就是说:大霹雳之前到底发生了什么?牛顿生前并没有能够解答这个关于“第一推动”的问题,他把它归功于“上帝之手”。

但事实上,以超弦理论为集大成者,今天的科学家群体,不仅给出了Big Bang创世之后的宇宙发展历程(包括宇宙消亡的历程),同时也给出了Big Bang之前的宇宙存在的假说,那就是关于平行宇宙、黑洞、虫洞等相关理论。这些理论在解答了“第一推动”这个疑问的同时,再次撼动了上帝存在的证明。

昔日尼采有言“上帝已死”,现在霍金在《大设计》第一页上就宣称“哲学已死”,因为“哲学跟不上科学,特别是物理学现代发展的步伐”。这是一个极为傲慢的“宣言”。他的意思是,世界本源是所有哲学流派的终极思考,而现在科学界已经给出了世界本源和宇宙发展的全部解释,所以,哲学的使命已经终结了。

的确!“唯物”、“唯心”,甚至“客观存在”,都已经被量子理论、超弦理论彻底动摇!

与此同时,上帝也被霍金“扫地出门”,他在《大设计》末尾宣称:因为存在像引力这样的法则,所以宇宙能够“无中生有”,自发生成可以解释宇宙为什么存在,我们为什么存在。所以“不必祈求上帝去点燃导火索使宇宙运行”。也就是说,上帝现在不再是必要的了。(请参看霍金《哲学已死》,朱清时《物理学步入禅境:缘起性空》)

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