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大统一之梦 | 混乱博物馆

2018-07-16  浮生偷闲

人类这种渴望解释的奇怪物种费尽心思,总想要给所有问题一个大统一的回答,而这个回答的核心,就是“宇宙究其根本,源于什么?”

如果你一度也曾为这问题着迷,并且曾经从方方面面冥思过它,那么今天的故事会让你既熟悉又陌生:本期出现的重要知识点我们都曾经讲过了,然而相比那些雄心勃勃,以雄辩自圆其说的哲学大统一,我们将要展示的是另一条贯穿人类认知历史的重大线索。

同时这也回答了,爱因斯坦提出相对论之后干什么去了。

注:因工作调动,原定今天的心理学节目,延期到本周三。


-文字稿-

人类这种渴望解释的奇怪物种费尽心思,总想要给所有问题一个大统一的回答,而这个回答的核心,就是“宇宙究其根本,源于什么?”

只可惜历来的哲学与宗教都是纸上谈兵,大统一之梦在现实中的第一步要等到牛顿才能踏出:1687年,他在《自然哲学的数学原理》首版的前言中讲到:我愿我们能像对力学原理那样,用同类的推理导出其余的自然现象——许多原因促使我怀疑,它们可能都依赖于一定的力。”

牛顿这种同类的推理,就是将万物解释为原子以力凝聚起来,并因此体现出宏观上的各种性质。

果然,在此后200多年里,我们确立了分子和原子,随后又发现原子还有带负电的电子和带正电的原子核,它们以电磁力缔结成原子,并以盈余的电磁力展现出种种力学、声学、热学乃至化学的性质——而足够质量的物质又将展现出万有引力。

1817年,菲涅尔的实验确定了光也不外是一种波动,半个世纪之后,麦克斯韦方程组统一了光学和电磁学,人们开始欢呼经典物理的尽善尽美,自然科学的大统一似乎唾手可得——但诚如开尔文勋爵在1900年感慨的,“现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了”

这两朵乌云,一朵是黑体辐射的紫外灾变,即按照当时的理论,任何物体都会辐射出无穷强大的紫外线;另一朵是以太不可观测,即真空中的光速不变。

前者从1905年爱因斯坦解决光电效应开始,在20多年的时间里由普朗克、波尔、费米、狄拉克、玻色、海森堡、薛定谔、德布罗意、戴维森等群英共同解决,创立了量子论,重新解释了电磁力;后者则在1905年由爱因斯坦独立解决,开创了狭义相对论,并在10年后发展出广义相对论,重新解释了万有引力。

爱因斯坦接着又希望像19世纪的物理把各种力都统一成电磁力和万有引力那样,用一个模型统一解释电磁力和万有引力,或者说把量子论和相对论统一成一种理论,达至最后的大统一。但那时的现代物理学才刚刚起步,这场过于超前的大统一之梦注定要破灭了。

随后就在30年代,我们发现宇宙中除了万有引力和电磁力,还有一种令粒子衰变、释放辐射的作用力,它比电磁力弱而被称为弱核力——大统一的局面一时复杂起来。

好在另一方面,从20年代到50年代,狄拉克、泡利、杨振宁等人成功地统一了量子论和狭义相对论,成就了规范的量子场论,每一种粒子,包括构成物质的电子和夸克,都对应为一种弥漫于整个宇宙的场,粒子则是它们的激发状态。

借此,温伯格等人在1968年将弱核力与电磁力统一成了电弱力,一种存在于1015K以上,宇宙大爆炸最初10–36秒到10−12秒之内的作用力。

70年代的物理学家又发现了将夸克束缚在中子和质子之内,又将中子和质子束缚在原子核内的强核力——也就是宏观物体的质量和核能的主要来源。在1027 K以上的环境中,比如大爆炸之后10–43秒至10–36秒,强核力将与弱电力统一起来,成为一种力。

总而言之,今天的我们有了一个精美的“标准模型”,它完美描述了迄今为止微观世界的一切电磁现象、放射现象与核现象;而广义相对论也在过去的100年里无懈可击地解释了宏观世界中所有的时空现象和引力现象。

现在看来,只要在标准模型中加入万有引力,或者说将量子场论与广义相对论统一起来,我们就将实现千古以来的大统一之梦了——这种渴盼中的强大理论,更加尊崇地称为“万有理论”。

于是从70年代到90年代,一批候选的万有理论成长起来,试图解决这个矛盾,其中最著名的莫过于弦论:基本粒子并不是一个0维的点,而是有1维长度的弦,这些弦以10维空间才能满足的复杂方式持续振动,而不同的基本粒子就来自不同方式的振动,恰如不同的乐音来自琴弦上的不同振动。

膜理论则是五种不同版本弦论的整合版本,其中振动的不再是弦,而是n维空间中的薄膜,但这一理论太过于雄心勃勃——在可以预见的未来,我们都无法集合足够的能量验证它,自然科学的终极统一还有漫长的路要走——这就是最令Sheldon痛苦的事实了。

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