1
智子,锁死人类物理学
在《三体》中,有一个令全人类都窒息的存在。
它就是三体人的智子,一种智能微观粒子。
它不仅能对人类进行24小时全方位无死角的监视,还能干扰高能加速器的运行。
在智子的干预下,人类的高能加速粒子实验,不再有任何规律可循。
这令科学家感到绝望,有的甚至选择自杀,并直呼“物理学不存在了”。
为何会这样?
因为作为一切自然科学的基础,物理学研究的就是物质运动最一般的规律:
牛顿力学,研究物体机械运动的规律;
电磁学,研究物质的电磁运动的规律;
热力学,研究物质热运动的统计规律;
相对论,研究物体高速运动的动力学规律;
量子力学,研究微观物质运动的规律。
如果物质运动不再有规律可循,那么物理学也将不再存在。
智子对高能加速粒子实验的干预,锁死了物理学继续发展的可能。
在三体文明的面前,人类真的就只是虫子。
拥有最聪明大脑的人类科学家,却只是可笑的“火鸡科学家”。
当然,这只是《三体》中的科幻设定。
但今天,物理学的确正在面临“危机”:物理学,真的不存在了。
2
胜地不常,盛宴难再
人类历史上,有一群顶尖天才存在。
正是因为有了他们的存在,人类才拥有壮丽文明和科学神话。
回首人类近现代史年,这是科学“群星闪耀”的年代。
他们的的名字是:哥白尼、伽利略、牛顿、费马、欧拉、高斯,黎曼,伽罗瓦、麦克斯韦、希尔伯特、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、哥德尔、图灵、费曼、拉马努金、杨振宁、外尔、威藤、霍金…………
他们并非个个家喻户晓,有的甚至命运多舛。
他们本来和我们一样,只是宇宙中一粒尘埃。
但他们的思考力,却能洞穿整个宇宙。
正是这些人,构成了人类文明不断向前的基石。
但如果有一天,天才再无用武之地了呢?
20世纪以来,高能物理光芒四射,收获颇丰。
它也一直是当代最前沿的物理学研究方向。
然而,从20世纪60年代起,高能物理则不断开始受到质疑。
物理学家杨振宁先生就曾公开表示:高能物理“盛宴已过”。
并在在公开场合反对中国建设大型对撞机,引发强烈争议。
表面上杨振宁反对中国建设对撞机,但实际上是对“基础粒子研究”失去信心。
这可是物理学最前沿的领域,也是物理学终极理论的希望之所。
这决不是某一个人的观点,而是很多物理学家的共识:理论物理学已经开始走入空想主义,“科学圣杯”距人类愈发遥远。依靠大型对撞机对基础粒子的研究,从而推动物理学向前跃进,已经走入死胡同。
近60年来,再无获得共识的伟大物理学理论问世。
近60年来,也再无伟大的物理学家被奉为“灯塔”。
近60年来,也再无激动人心的新人理论得到验证。
很多时候,我们甚至怀疑,真的有一个超级文明将我们的物理学锁死了!
回首人类物理简史,看看“盛宴已过”到底是危言耸听,还是智者箴言?
3
从创世说起
一切回到宇宙本原,重新来思考物理学的一切。
宇宙是从什么时候开始的呢?
现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论,英文叫做BigBang!
“哈勃红移”和“宇宙微波背景辐射”这两大实验数据支持了这一理论:宇宙就是源于一个大爆竹。
当然你可能会问,那爆炸之前是什么呢,点燃爆炸的人又是谁呢?
这些问题属于哲学的范畴,不属于科学的领域。
如果一定要死嗑这个问题,牛顿会用“上帝是第一推动力”来忽悠你的。
创世的刹那,开始于10的负43次方秒,也称为普朗克时间,是人类已知的最小时间存在。请注意这是一个定义值,而不是一个测量值。
下面是创世时间表:
?10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次方)度;
?10E-35秒,大一统作用力崩解;
?10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;
?10E-3秒,夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;
?3分钟,质子与中子开始凝聚成稳定的原子核;
?30万年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;
?30亿年,第一个似星体出现;
?50亿年,第一个星系出现;
?~亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。
不管你信不信,这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。
表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等所有数值,没有任何一个可以直接测量。
因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。
但是,人类的天才们做到了。
这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算。
都是无数的物理学家和数学家呕心沥血的结晶。
这些结论是基于科学本身做出的演绎和推理,而不是凭空想像。
4
物理学的最前沿在哪里?
回顾宇宙极简史之后,现在要问的是,物理学最前沿的研究领地在哪里?
今天,寻找最古老的问题的答案就是物理学最前沿的研究方向。
我们从创世时间表的第一个事件谈起:十维宇宙分裂。
一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所以,我们把直线或曲线叫做:一维空间;
一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动,所以,我们把平面或曲面叫做:二维空间;
一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动,所以,我们的空间叫做是:三维空间;
加上时间一维,我们的世界是四维的,合称时空。
依此类推……
多维空间(四维以上)的人,看着我们的保险柜时根本就是内外一目了然。
就像我们看二维平面上的圆圈一样,因为我们拥有第三维的“上帝视角”。
阿米巴扁平虫只能感知二维的世界,那么我们如何证明我们所能感知的所谓“真实”,岂不是也受限于我们自己的认知条件?
人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的。
它们并不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。
超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间。
其中四维是爱因斯坦的时空流形,也就是我们的日常生活空间。
另外一个和它’垂直’的,还有一个很小很小的六维流形。
在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。
以类比的说法,十维空间是宇宙这座大琴的音箱。
拨动这些弦造成不同的音高与音色,会产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。
最新的“M理论”,由当代物理巨匠威藤提出。
结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。
藉由单一个理论,来解释所有物质与能源的本质与交互关系。
“超弦理论”和“M理论”,都野心勃勃想统一广义相对论与量子力学。
试图构建终极“大统一理论”,这就是理论物理学最前沿的研究方向。
5
如何构建“大统一理论”?
构建“大统一理论”,着手点是统一四种自然力,必须从最基础的粒子作用开始研究。
由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。
理论上宇宙间所有现象,包括十维空间,都可以用这四种作用力来解释。
两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:
?电磁力:包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中第2强。
?强核力:是夸克之间的吸引力,由胶子传递。在有效距离内,距离越大,力约大。短程力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。
?弱核力:弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。
?重力:由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中最弱。
为何要统一自然力?一旦人类将所有的作用力整合成一个作用力,这时会有什么突破?
人类能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序。
任意地组合与改变粒子,制造出前所未有的物质形态。
我们甚至能左右空间的维度数,成为宇宙的主宰。
回看一下人类掌握“力”的历史:
?人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%时间里,人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力;
?十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力;
?牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百马力;
?麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等发明家,人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,极大地改变了人们的生活。
?爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代,人类掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。
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那些“统一自然力”的天才们
1、黎曼:硬刚“欧几里德”和“牛顿”的巨人
年6月10日,数学天才黎曼在德国哥廷根大学发表了《关於几何基础的假设》,撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。
黎曼认为,欧几里德数学根基只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。
比如,欧式几何说三角形三个内角之和等于度。
但这个看似简单的问题,在数学史上却从来没有被严密证明过!
而且,假如身处弯曲表面的世界,这个公式就不成立了。
黎曼作出了牛顿两百年来首次划时代重大突破,彻底推翻了牛顿的超距作用原则。
他认为:作用力源自于几何学,作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。
在牛顿早已成神的年代,说出这样的结论需要何种气魄。
总结一下黎曼的伟大之处:
?他以多维空间理论简化了所有自然作用力;认为电力与磁力和重力一样,只是高维空间弯曲产生的结果。
?他提出了虫洞的概念,黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。
?他以“场”来描述重力,以“度量张量”描述空间里每一个点的重力场。
黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用力。
这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。
2、麦克斯韦:电和磁的合并者
麦克斯韦,一个被忽视了堪与牛顿齐名的大科学家。
年,麦克斯韦出版了电磁学专著《电磁学通论》。
这本著作系统总结了库仑、安培、奥斯特、法拉第的研究成果,建立了完整的电磁理论,将电力和磁力统一了起来,这让后来的爱因斯坦都感受到了压力。
有了电磁学,才有了现代光学、电工学、电子学,就不可能有电气化和通信技术。
麦克斯韦一辈子太低调,我们帮他总结一下“光辉成就”:
?建立了统一的经典电磁场理论;
?建立光的电磁理论,预言电磁波的存在;
?为爱因斯坦的狭义相对论铺路。
3、爱因斯坦:御光者
(1)狭义相对论,光速恒定?E=mc2
爱因斯坦小时候就喜欢自问自答:
“如果你追上一束光线,它看起来是什么样子?你会不会看到一束静止的光波,冻结在时间中?”这个问题,让他在后来的50年里,带领人类走进了时空神秘之旅。
16岁时,爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。
26岁时,他用严密的数学证明了这一发现,在瑞士专利局担任低阶职员的他,用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论。
用一句话概括狭义相对论,那就是:光速在任何恒动架构里恒为常数。
这个定理表面上看并不显眼,但却是人类心灵的最伟大成就之一!
爱因斯坦进一步导出了下一个重大的结论:质量是从能量来的。
这个结论,一举推翻了十九世纪的两大物理发现:质量守恒和能量守恒。
自此以后,质量与能量被视为单一单位:质-能。
26岁的爱因斯坦,同时给出了质能变动的方程式,那就是著名的E=mc2。
让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程:
光速恒定?时间变慢?质量不恒定?“质量-能量”相互转换?E=mc2狭义相对论,统一了“时-空”,也统一了“质-能”。
爱因斯坦进一步思考“时空”与“质能”之间的关系,也就是狭义相对论所忽略的加速度,还有重力。
这关乎了他的下一个巨大成就:广义相对论。
(2)广义相对论,空间是弯曲的?力学=几何学
爱因斯坦由一个简单问题开始:
“如果一个人处于自由落体状态,他就不会感觉到自己的体重?”爱因斯坦透过这个简单问题,掌握了重力基本特性:在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。
这就是所谓等效原理。
透过等效原理,爱因斯坦重新思考关于光速的问题:光速会受重力影响,重力场会扭曲光线的行进路线。
但是,根据费玛最短时间原理,光线会采取两点之间最短时间路径。
爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论:如果我们可以观测到光线以曲线前进,那就意味着空间本身是弯曲的!
爱因斯坦进一步得出结论:质能的存在造成周围时空的弯曲。
早在年,黎曼就提出了作用力与空间弯曲的关系,并提出了重力场论。
爱因斯坦利用黎曼的研究成果,用数学形式表达了他自己的物理学新发现,这就是广义相对论。
让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程:
光线以曲线前进+光线走两点间最短时间路径?空间是弯曲的?“质-能”造成“时-空”弯曲?力学=几何学
爱因斯坦的伟大,止步于他的第三次尝试!
在狭义和广义相对论之后,他终其一生研究统一场论,寻找万物之理。
简单说,就是试图寻找一个公式,能够同时描述光与引力。
可惜,他最终没有成功。
爱因斯坦的“大统一理论”虽然恢宏,但并未收到广泛