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宇宙万物到底由什么所支配?

2019-01-03  龙泉清溪

由传说中的万物理论(TOE, A theory of Everything)所支配。

正如老子所言“道生一,一生二,二生三,三生万物”,这个传说中的道,就是万物理论^_^,至于道所生的一,则是当前正在研究的大统一理论(GUT,Grand Unified Theory)。大统一理论是通往万物理论的关键步骤。

图示:为了探索物质的尽头和大统一理论(GUT),人类制造出了各种粒子对撞机。

  • 大统一理论(GUT):

理论物理学家有一个梦想,就是将当前发现的支配万物的四大力,全部统一在一个方程之中,这个方程就是传说中的万物理论(TOE, a theory of everything),它就是支配世间万物的最底层最本质的规律。当然,这样的想法,并非是古代哲学家那样的玄想,而是有着坚实的前期研究基础,并且可以通过实验来进行证实或否定。而探索万物理论的前置步骤是先搞定大统一理论(GUT),爱因斯坦晚年,沉溺于寻找万物理论之中,但这事儿实在太难,终其后半生,都没有任何真正的突破。


但现在,理论物理学家已经知道,一口吃不成胖子,事情要一步一步来,要找到万物理论(TOE)——如果它真的存在——那么首先要找到大统一方程或理论(GUT)。那么大统一理论,究竟是要统一什么呢?


要统一的就是,老子所言的“三生万物”的三。将三归一,就是大统一理论。

这三是指的四大力中支配微观世界的三种力

  • 强相互作用(Strong interaction):又称强核力

    强核力约束夸克形成质子、中子,并且也是它将中子和质子约束在原子核中形成原子核。没有强核力,就不会有原子,没有原子,也就不会有提出宇宙万物到底由什么支配的人类。


  • 弱相互作用(Weak interaction):弱核力

    弱核力是核裂变和核聚变现象存在的基础,这种力比强核力弱百万倍。虽然这种力很弱小,但它是解释衰变和聚合的关键力,在核裂变和核聚变研究中都非常重要。没有它,宇宙中就将没有恒星,太阳系将名不符实,因为压根不会有点燃核聚变的太阳出现,那么人类自然也就没机会诞生了

  • 电磁力(electromagnetic force):形成原子的最后一步
    电生磁磁生电,这两者纠缠在一起,所以合称为电磁力,当无线电波在空中传播时,也是通过不断变化的电磁场进行传播的。另外,完整的原子由带正电的原子核和带负电的电子组成,正是由于存在电磁力,它们才能结合在一起形成完整的原子。发现这个秘密,构成了化学这门自然科学的根基。原子和原子之间发生的化学变化,本质上就是形成不同的电子组合。除此之外,对电磁力的主动应用,构成了人类现代文明的根基。电力有多重要,就不用我再多解释了。

    图示:形成一个原子需要强核力和电磁力。原子核占据原子中心的位置,由质子和数量不等的中子组成,质子带正电。外围则由带负电的电子构成,电子围绕原子核高速旋转,并具有许多奇异的量子性质,与宏观世界中旋转并不能简单类比。


在微观尺度上,这三种力决定一切。但理论物理学家相信,在宇宙创生之初,这三种力是合三为一,也就是在极高温极高能的情况下,这三种力其实是同一种力,伴随着宇宙膨胀和降温的过程,这种力即大统一力,一分为三,形成了现如今微观世界的基础,原子等各种基础粒子,并支配着微观世界的一切。

当前,理论物理学家已经成功地将弱相互作用和电磁力成功合并在一起!

正是这个成功,激励着物理学家,尝试将强相互作用和弱相互作用和电磁力三者合并在一起,构建大统一理论。为了实现这个梦想,人类投下巨资,建造了多个大型粒子对撞机,但要实现大统一理论条件需要的实验条件,可能需要更加强大的粒子对撞机,有人认为需要一个围绕太阳系那么大的对撞机。只有那样,我们才能获得足够高能量的粒子让它们迎头对撞,模拟宇宙创生之初的微观环境。

图示:欧洲建造的世界最大强子对撞机,发现了希格斯玻色子的存在,这是一种可以解释质量为何存在的基本粒子。它位于瑞士和法国边界,周长仅27公里,但已经是现在人类工程的极限,它的建造费用高达44亿美元,这还不算它的运行费用和维护费用,它一年只能工作一个月,其它时间都用于检修和维护。它可以达到的能量级别是13TeV的质子和质子碰撞,即每束质子有6.5Tev的能量。

  • 如果理论物理学家们真的能写出统一前三种力的方程。那么,他们的最终挑战,就是将万有引力统一到方程中。得到解释从微观世界到宇宙星河的终极理论,万物理论。

图示:如果我们能回到过去,那么宇宙大爆炸后大约7亿年后,星系开始形成。而要形成星系,您就需要万有引力。


万有引力是这四种力最弱的力,而且弱到不可思议,它比强核力弱10^。它的影响只有在超宏观世界中才能有所作为,即以星球、星系为单位。宇宙空间中的两个普通物体之间的万有引力完全可以忽略不计。但正是这种看起来最微弱的力,决定着宇宙的终极命运,宇宙是将无限膨胀下去还是最终会塌缩。


这个最弱小的力,之所以能成为决定宇宙结构和命运的力,是因为它有一个性质,那就是它的影响是无远弗届的,虽然它会随着距离不断衰减,但理论上说它会始终存在,不会衰减到数学上的零,这个性质只有万有引力和电磁力才具备。而强弱相互作用力,都被限制在微观世界中。但只有万有引力才能在极大的物理距离中影响着物质的行动,因为电磁力必须在两个带电物体间才存在,一旦带电的情况被中和,它就消失了。而正负电荷之间的吸引作用,导致这种中和很容易发生。

图示:太阳系之所以围绕银心旋转,就是因为受到来自银心超大质量黑洞的引力的约束所致,同样地球围绕着太阳旋转也是同样的原因。


有人已经提出,未来的理论物理学家可以利用黑洞来获得万物理论,因为黑洞这个引力怪兽,是宇宙创造的一个极其怪异的天体,它将宏观和微观捏合在了一起。


总结:

由此我们看到了决定宇宙超宏观到微观世界的四种力:

万有引力;决定宇宙的宏观结构

电磁力;让电子和原子核结合在一起形成原子,并产生电磁现象,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,电子的流动形成了电流。电磁场的变换,是电磁波在空间中传递的基础。

弱相互作用;万有引力可以让物质聚合成星球,但要得到太阳这样的恒星,您就需要弱相互作用,有了它核聚变才会发生,而有了核聚变才会有元素周期表。因为宇宙创生之初形成的元素只有两种,一种是氢占据75%,然后是差不多25%的氦-4,剩下的其他元素少得可以忽略不计。同时地球核心由于放射性元素的衰变,一直保持着超高温度,让我们有熔融的地核,由此形成了保护地球的磁场。元素的聚变和衰变都要依靠弱相互作用呢。

强相互作用:但上述谈论的一切都建立在原子这类物质能够形成的基础上。而形成原子您需要重粒子,即质子和中子,它们本身又是由更小的基本粒子组成,即夸克,将夸克限制在一起您就需要强相互作用,而且在原子核中那些带正电的质子能够挤在一起,克服电磁力的排斥,您也需要强相互作用。

那么,未来的科学家在更强大的技术的支持下,真的能找到统一万物的万物理论吗?

现在,有些什么理论,有可能成为万物理论的候选呢?

要了解这个问题,您将进入最怪异的研究前沿,比如宇宙膜理论、圈量子理论等等。

没有掌握专门的数学工具,难以用普通日常语言讨论这些问题。

因为,任何类比本质上都是拙劣的。

要是一言以蔽之,宇宙万物被什么所支配,那一定是被数学所支配。

只不过,人类是否能写出那个数学方程,则是一个谜。

而就算写出来了,我们如何知道,它是正确的呢?

也许,我们需要自己创造一个宇宙来证实它。

所以,对这个问题的不懈追寻,也许意味着人类的技术真正走上成神之路,注意是技术成神,人依然还是凡人。

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