kanglanlan / 量子力学 宇... / 时间和空间到底是不是“一家人”?

分享

   

时间和空间到底是不是“一家人”?

2018-08-25  kanglanlan

时间和空间到底是不是“一家人”?这个物理学官司从牛顿、爱因斯坦的时代一直打到了今天。

有句老话说“谁笑在最后,谁笑得最甜”。但在物理学上,要想“笑”的话,可真得存点儿心眼,换句话说,就是“别高兴太早”,因为谁也不知道自己是否是最后一个笑的人。

大约100年前,爱因斯坦推翻了牛顿的时空观,建立了狭义和广义相对论。那个时候笑的是爱因斯坦。可是2009年,有位美国物理学家却又提出,在能量非常高的条件下,也许人们要放弃爱因斯坦的时空观,而回到牛顿旧有的时空观上去。如果这话没错,那么这次笑的恐怕是牛顿了。事情怎么会这么颠颠倒倒的呢?

爱因斯坦给时间、空间做媒人

时间和空间,对于人类来说可谓是由来已久的概念。人们一直把它们当作世上所有事情发生的背景和舞台,超然独立于物质的运动之外。牛顿的时空观就建立在我们的这种直观基础之上。牛顿用运动方程(也就是我们熟知的牛顿第二定律)来描述物体的运动,在方程里,时间和空间是完全独立的。时间和空间被用来描述物体运动,但它们自己却与运动无关,就好比演戏离不开舞台,但演什么戏、演得如何却跟舞台无关一样。

可是19世纪末物理学出现了一系列的难题,迫使爱因斯坦提出一种全新的时空观,颠覆了牛顿的时空观。原先彼此独立的时间和空间在爱因斯坦的撮合下,有史以来第一次在他的相对论里“联姻”了。

在相对论中,时间和空间不再独立,而是紧密联系在一起,组成了4维的时空,其中空间3维,时间1维。时间流逝的快慢和空间的长度也不再超然独立于运动之外。运动的物体,长度会缩短,时间会变慢。而在广义相对论里,连自然界中最基本的力——引力,也解释成了空间的弯曲。

相对论和量子力学过不到一块儿

除了相对论,20世纪还产生了另一大革命性的理论——量子力学。可是奇怪的是,在量子力学里,牛顿的那一套老的时空观还依然保留着。也就是说,在量子力学里,时间和空间彼此独立,它们只为物质运动提供舞台……这样一来,我们可以想像,相对论和量子力学在很多根本性的问题上就对立了。好在应用上它们井水不犯河水,相对论主要应用于接近光速的高速运动粒子以及大尺度空间结构的天体、宇宙等等,而量子力学则主要应用于微观的粒子。

相对论和量子力学也有过比较成功的结合,那就是在涉及描述高速运动的粒子的时候。这种粒子一方面运动速度接近光速,必须考虑相对论效应;另一方面它们又是微观粒子,所以须用到量子力学。物理学家为此发展出一套叫做“相对论量子力学”的理论来描述这类粒子。

按照相对论量子力学的思想,各种基本作用力都可以解释为传播力的粒子的交换。比如说,电磁力是通过电荷之间交换光子来实现的,好比两个人相互抛递一个球,借此发生相互作用一样。核力也被解释为夸克之间传递一种叫做“胶子”的基本粒子所产生的。可是,当物理学家按同一思路,把引力解释成物质之间传递一种叫做“引力子”的粒子时,却遇到了前所未有的困难,计算中不时出现无穷大!——这在物理学上是一个理论失败的标志。

毛病出在哪里呢?被一个接一个的胜利冲昏头脑的物理学家这个时候才意识到,毛病可能就出在相对论和量子力学在时空观上的根本对立上。这一矛盾不协调,相对论和量子力学就不可能真正手牵手。

时间和空间又分家

近30多年来,理论家们一直在艰难地想把相对论和量子力学“融为一炉”,但都收效甚微。

与此同时,相对论和量子力学的“争吵”也在升温,而“争吵”的结果似乎对相对论不利。譬如说,相对论认为自然界中不存在“超距作用”,任何作用的传播都需要时间,而且传播速度不能超过光速,但实验上却发现,一种叫做“量子纠缠”的现象似乎就是一种超距作用。假设一个粒子衰变为正反粒子对,衰变后正反粒子沿着相反的方向运动。它们相离甚远时,比如一个已经跑到银河系中心,另一个留在地球上,在如此遥远的距离下,它们仍然有某种关联。当其中的一个被操作(比如对它测量)而状态发生变化时,在银河系中心的另一个也会即刻发生变化,尽管它们可能相距好几万光年。而按相对论的看法,两个粒子要相互影响,至少也要几万年时间对方才有反应。

超距作用的出现,对爱因斯坦的理论很不利。美国物理学家彼得·霍扎瓦提出一个大胆的理论,认为要想建立满意的量子引力理论,人们应该放弃爱因斯坦的时空观,而回到牛顿旧有的时空观上来。

据说霍扎瓦的灵感来自电子在石墨烯中的运动。石墨烯是一种单层的石墨,它有很多非常奇特的性质。比如说,在常温下电子在石墨烯中的运动远低于光速,所以这个时候描述它的运动没必要考虑相对论,只要用量子力学就可以了;而当石墨烯的温度降到接近绝对零度时,电子的运动速度竟有了意想不到的提高,这时就不能不考虑相对论效应了。

在这个例子中,常温下不考虑相对论并不是说在这种情况下相对论失效了,其实考虑了相对论结果肯定会更精确,只是计算起来麻烦,而且对最后结果影响不大,因此没必要“杀鸡用牛刀”而已。

而霍扎瓦则想得更远,他想到了相对论在另一些情况下失效的可能。比如他猜测,在量子引力发生作用的时候(尺度大约在10-35米的范围),相对论也许真的就失效了,这个时候,时间和空间完全分离开来。在物理学上,这种状态属于超高能状态,大概只在宇宙大爆炸最初的几百万分之一秒时才会出现。此后,温度降低(类比于石墨烯中温度降低),时间和空间才纠缠在一起,相对论才开始起作用。

牛顿又笑了起来

通过这一思路,霍扎瓦修改了爱因斯坦的引力方程,得出了大家梦寐以求的量子引力理论,而且计算中不会出现无穷大。如果这个新理论正确,那么爱因斯坦广义相对论就是霍扎瓦理论在低能条件下的近似了,这就像当初牛顿力学是相对论在远低于光速的条件下的近似一样。

霍扎瓦为牛顿报了“一箭之仇”,如果牛顿地下有知,会不会开心地笑起来呢?

不过这个新理论是不容易验证的。它所要求的能量远远高于地球上所能实现的条件。所以,目前只能当作是“一家之言”。

但物理学家们已经在迫不及待地用新理论来重新解释当前物理学上的诸多难点了。比如物理学家曾经很头疼宇宙开端的奇点,体积无穷小,而质量却又无穷大,十分古怪。当把霍扎瓦的引力理论用于研究宇宙大爆炸时,人们发现,宇宙并不会出现奇点,宇宙收缩到一定程度后,又会反弹膨胀起来。此外,还有人用新理论来解释神秘的暗物质、暗能量。

时间和空间曾经在爱因斯坦的撮合下走到了一起,而如今它们又闹起了分家。而物理学家们则在这个探索过程中,加深了对宇宙的理解,也加深了对时间和空间的理解。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>