这是一套与黎曼、爱因斯坦学说迥异的解释自然力的理论,它的主要理论观点包括:
1、作用力是由于不连续的能量包交换而产生(也就是量子:quanta);
2、不同的作用力的产生来自于不同量子的交换;
3、我们永远无法同时知道次原子粒子的速度及其位置;
这就是著名的海森堡测不准定理,这个听起来不怎么靠谱的定理,却是半个世纪以来最经得起任何实验挑战的一个定理,至今,还没有任何一个实验结果违背了这一条定理。
所谓次原子粒子:就是比原子还要微小的粒子。海森堡测不准定律在哲学上的意义在于,它从物质构成的最底层,将所有事物的产生和构成,都解释为机率的一个表现,而不是一个必然的结果!换句话说,就是没有所谓客观存在,也没有所谓必然结果。这一条,彻底撼动了唯物主义的基石。
4、粒子有可能以有限机率进行穿隧或量子跳跃,并穿越不可浸透的障碍物。
听起来各种不靠谱是吗?但是!这个理论不仅反复被实验证明,而且人们甚至根据该理论制造出了隧道二极管(tunnel diode,或称江崎二极管)。
量子力学以光子(也就是光的量子)为例,认为弱作用力和强作用力是源于能量量子的交换,并称之为“杨-米场”,这是杨振宁和他的学生米尔斯于一九五四年发现的理论。
你造吗?杨老师年轻的时候有多牛逼!到一九七O年代,杨-米场已经可以解开所有核子物质的秘密,可以解释有关于次原子粒子的任何实验数据。在解释电子与光的交互作用时,其精确度达到千万分之一,号称是有史以来最精确的理论。科学界对这个理论如此有信心,以至于称之为“标准模型”(Standard Model)。
量子力学经过五十年的发展,成功地整合了四种自然作用力的三种:强作用力+弱作用力+电磁力。但是,包括杨振宁本人在内的许多科学家都认为,标准模型一定不是最终的大一统理论,主要原因是该模型并不包括重力!
历史地看,可以这么说:量子力学只是根据次原子粒子的部分外表特性做了整理,却未对它们的来源做出任何说明。
9 超重力论,十一维空间统合四种作用力
统合量子理论和重力,以创造出一个“万有理论”[16](Theoryof Everything),这个问题挫折了二十世纪最聪明的心智,包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎和大碗,但均不可得。
备注16:
万有理论即爱因斯坦晚年追求的大统一理论或着说统一场论,是指在一个数学框架内包容已知的四种基本自然力,统一现代物理的两大根基量子力学和相对论,以阐明自然界更深层次本质的物理理论,目前M理论是最有希望的万有理论候选。
一九七六年,纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。简单说,这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究,几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。
他们发现,在一个十一维的度量张量模型里,包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力:爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。如图所示:
(图中的括弧,代表一个十一维的黎曼度量张量场。如果把它简化成四维,就是爱因斯坦的重力场;提高它的维度数,我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组和标准化模型;最终,在十一维度,统合了代表四种作用力的所有方程组。)
超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力,但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向宇宙统一理论慢慢征途上的一块铺路石。新的,也是最强大有力的物理学计划已经登场,它就是:超弦理论(Superstring Theory)
10 超弦,统合所有作用力和自然律
一九六八年,超弦理论被意外发现。
当时,两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心(CERN)意外发现十九世纪数学家尤拉完成的尤拉贝塔函数(Euler betafuncation)竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。
超弦理论图示
什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。
如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体:一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。
弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式,正如小提琴上的弦。
弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作超弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。
每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10^-33厘米)。弦实在是太细微了,从远处观察,我们实在无法区分它究竟是弦的共振还是粒子。只有当我们把粒子放大,我们才能看出那根本不是一个点状粒子,而是一种振动弦。
按照超弦理论,粒子并非是宇宙的基本元素,物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深,可以解释所有的自然基本定律。
简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海,那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐 !
甚至包含生命复杂信息和编码的去氧核糖核酸(DNA)分子,也是类似弦的结构。弦,是能够储存大量数据的最精简的方式之一。
超弦理论,以及在其基础上发展起来的弦场理论,统合了所有的自然律和作用力,菲尔兹奖章(诺贝尔奖没有设立数学奖,菲尔兹是数学界的最高奖项)获得者维藤说:“所有物理学上的伟大思想,都是超弦理论的副产品。”
11 罗摩奴詹,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罗摩奴詹(Srinivasa Ramanujan)。
罗摩奴詹
罗摩奴詹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。
罗摩奴詹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罗摩奴詹模函数[17](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。)
备注17:
1920年,拉马努金在临终前给他的导师——英国数学家G. H。哈代写了一封信,概述几个此前从未听说过的新数学函数。他自称在梦中想出这些函数,对它们的特性存在强烈的直觉。几十年后,美国研究人员证明了拉马努金所提出数学函数的正确性,可用于解释黑洞的行为。美国埃默里大学数学家肯-小野表示:“我们破解了他最后几封神秘信件中的问题。对于数学领域的研究人员来说,这个问题存在了90多年。”
罗摩奴詹相关函数
罗摩奴詹基本等于神的一切
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10^34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:
12 宇宙的生灭
一、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”BigBang,自10^34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[18](microwave backgroundradiation)。
备注18:
宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性或者黑体形式和各向异性的微波辐射,也称为微波背景辐射,特征是和绝对温标2.725K的黑体辐射相同,频率属于微波范围。
宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年。大爆炸宇宙学说认为,发生大爆炸时,宇宙的温度是极高的,之后慢慢降温,到现在(约150亿年后)大约还残留着3K左右的热辐射。
宇宙诞生时间轴
二、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”[19],“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”。
宇宙的灭亡
备注19:
白矮星超越钱德拉塞卡极限会爆炸。
Chandrasekhar limit 钱德拉塞卡极限指白矮星的最高质量,约为(3× 10的30次方)公斤,是太阳质量的1.44倍。这个极限是由钱德拉塞卡计算出的。
在1935年皇家天文学会的会议上,24岁的钱德拉•塞卡终于得到宣读自己论文的机会。在当时,恒星的白矮星阶段被认为是一切恒星演化过程的最终阶段。但是钱德拉塞卡的计算表明,当恒星质量超过某一上限时,它的最终归宿将不会是白矮星。
当钱德拉塞卡在会上宣读完自己的论文后,当时天体物理学界的权威爱丁顿走上讲台。他当众把钱德拉塞卡的讲稿撕成两半,宣称其理论全盘皆错,原因是它得出了一个“非常古怪的结论”。听众顿时爆发出笑声。会议主席甚至没有给这位年轻人答辩的机会。
与爱丁顿的争论持续了几年,没有一个权威科学家愿意站出来支持钱德拉塞卡。最后,他终于明白应该完全放弃这个研究课题。在1937年到了芝加哥大学以后不久,他把自己的理论写进了一本书里,然后不再去理会它。
差不多30年后,这个后来被称为“钱德拉塞卡极限”的发现得到了天体物理学界的公认。然后又过了20年,钱德拉塞卡获得了诺贝尔奖。1983年,当他从瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时,已是两鬓斑白的垂垂老者。
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。
13 问题是:产生宇宙大爆炸之前是什么?
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BigBang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》)
14 霍金,平行宇宙[20]
备注20:
平行宇宙(parallel universes)是指多元宇宙中所包含的各个宇宙。多元宇宙是一个理论上的无限可能存在的宇宙集合,包括了一切存在和可能存在的事物:所有的空间、时间、物质、能量以及描述它们的物理法则和物理常数。
物理学家休•埃弗雷特提出了自己对量子测量问题的想法。他指出,在量子力学中,存在多个平行的世界,在每个世界中,每次量子力学测量的结果各自不同,因此不同的历史发生在不同的平行宇宙中。
黑洞是使霍金名满天下的研究,在那之后,他创立了量子宇宙学(quantumcosmology),以爱因斯坦的古典宇宙学为出发点,再将整个宇宙量子化,试图完成那个前辈物理学家的未竟事业“统一场论”,统合小到夸克、大到银河星际甚至整个宇宙的所有自然律。事实上,霍金的理论甚至远远超出了我们的宇宙!
他的新构想是将整个宇宙看成一个量子粒子,用宇宙波函数来描述多重宇宙(不止一个,是无数个宇宙)的无穷集合。按照霍金的理论,我们的宇宙,只是无数的平行宇宙之一,每个宇宙都透过复杂的虫洞系统与其他宇宙相连结。
如果霍金说的没错,世上就存在着无数的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常数,大多数宇宙都是一片死寂,不具备孕育生命的物理定律。但是在某一个宇宙中,它的物理定律恰好符合生命的条件,这就是我们的宇宙。
如果这种理论属实,我们就不必把生命的起源归诸于上帝。
宇宙起源&万物简史
15 宇宙航行 & 遁入高维度宇宙
前文说过,太阳系乃至这个宇宙,终究难逃消亡的命运。那么,智慧生物是否作为宇宙的一部分因而最终难逃灭亡的宿命呐?
我们的希望,就在十维宇宙和超弦理论!
按照超弦理论,我们的宇宙诞生于一个十维宇宙,由于这个十维宇宙的对程结构不稳定,在“大爆炸”时分解为一个四维宇宙(我们现在的宇宙)和一个六维宇宙。四维急剧膨胀,历经150亿年形成了我们今天的宇宙;而六维宇宙则急剧收缩成为一个10E-32公分的微小世界。
这个六维宇宙在哪里?它就在我们的周围!只是因为它太微小以至于无法观测得到。假如,我们能够观测得话,它会是什么样子呐?这是近几十年内大量数学家、物理学家研究的课题。其中,以华裔科学家丘成桐[21]命名的卡拉比-丘流形是比较得到认可的一个答案。
备注21:
丘成桐,美籍华人,哈佛大学终身教授,国际知名数学家。丘成桐证明了卡拉比猜想,以他的名字命名的卡拉比-丘流形,是物理学中弦理论的基本概念,对微分几何和数学物理的发展做出了重要贡献。
卡拉比-丘流形3D模型
上图是一个六维卡拉比-丘流形的二维截面图。也是说,该图相当于是一个六维空间的“影子”。
卡拉比-丘流形动态模型
接着说,当我们的四维宇宙崩溃时,与大爆炸那一刻相反,原本收缩的那个六维宇宙开始慢慢展开,智慧生物有机会在这一个瞬间,由四维宇宙逃入六维宇宙,获得新生。
这一个过程,需要我们掌握更强大的力和能量,才能驾控宇宙,获得新生。举例说:那时我们需要极高速的宇宙飞船,但根据狭义相对论我们知道我们永远不可能达到光速,那么我们怎么跨越动辄以光年计数的漫漫长路呐?不违反爱因斯坦的自然律而又能够实现可能的时空跨越的方法,就是人为把时空弯曲[22]。
备注22:
爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲,在物体具有很大的相对质量(例如一颗恒星)时,这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物,即使是光线,也改变路径。广义相对论指出,时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时,它的路线是弯曲的,这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。
弯曲时空里的五个速度
打一个容易理解的比方,就好比在地毯的另一边有一个瓶子,我们不需要走到地毯的那一边去拿到它,我们可以坐在原地,把地毯逐渐拉向我们,通过使地毯逐渐卷曲,来拉近我们和瓶子的距离,以这样的方法最终拿到瓶子。
这就是不需要跨越距离,但是却可以从一点到达另一点的方法:弯曲时空。而弯曲时空所需要的能量,是我们现在所掌握能量的一千亿倍。这就是统合自然力的目的所在。
前文说到,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。
那时,智慧生物就需要用新的质子和中子合成新的原子核。这同样需要巨大的能量,和弯曲时空所需要的数量级相当。这也是统合自然力的意义所在。
结语
我们赞美数百多年来科学进步过程中的这些先驱,是他们智慧的心智,让我们人类只凭借头脑和一些工具,就可以计算出支配数十亿光年外的物质的定律,我们只有微不足道的能源,甚至还没有离开太阳系,但我们已经知道恒星深处的核子反应或原子核内的情况。
我们在这个不起眼的小行星上发现的物理定律,却适用于宇宙的各个角落,我们的思想能了解并控制星星的宇宙法则,我们体内的原子原是某个恒星的核融合反应的产物,我们的原子比山的年代还久远,我们是由宇宙尘造成的,这些原子又凝聚成能了解宇宙法则的智慧生物。
让我们以霍金的一段话作为结语:
“如果我们真能发现一个完全的理论,如果我们能讨论出答案,这将是人类理智的最大成就-届时我们就能知道上帝的想法了。”
附文: 世上最前沿的实验室究竟长啥样?
科研是一项非常枯燥的工作,离不开常年累月的实验、无尽的公式和理论,但在我们这些外人看来,很多前沿科学领域都充满了科幻电影的味道。实验室里各种高能的“大玩具”、密集的线缆和神秘的光线,一定程度上也满足了人们对科幻的幻想。一起来欣赏一下这些世界上最先进实验室里面的样子。
美国伯克利国家实验室的先进光源ALS项目,它是世界上紫外线和软X射线束流最亮的光源
欧洲同步辐射光源ESRF真空波荡器
美国斯坦福大学软X射线装置
科学家在利用加拿大光源(CLS)的REIXS(X射线散射)研究科研样本
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置,这一套装置最终目的是让192台激光装置在十亿分之一秒内同时发射并击中铅笔头大小的燃料球。
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,该实验室现在的主要任务是利用计算机进行模拟核试验和对国家核武库的管理。通过利用实验设施可以对核爆进行完全的模拟而不需要真正地引爆核弹。
欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的超环面仪器(ATLAS)行的线缆。该机构的主要功能是为高能物理学研究的需要,提供粒子加速器和其它基础设施。
美国爱达荷国家实验室,这里主要研究各种核材料
阿德菲实验中心里的红外激光实验
北卡罗来纳电子显微镜
美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机。在这里科学家首次观察到了新型反物质反氦-4,这是迄今科学家观察到的最重反物质。
桑迪亚国家实验室Z机器,该实验室主要研究的热核反应,该实验室的加速器在运行过程中会产生大量闪电状电弧。
费米国立加速器实验室MINOS(主注入器中微子震荡寻找)实验中的一部分仪器。
杰斐逊实验室低温恒温组超导谐振器
澳大利亚特高压实验室
斯坦福大学利用激光对晶体进行测试
看了那么多国外的实验室,也展示一下我国中科院物理所两个实验室的图片
物理所微加工实验室电子束曝光系统
物理所极端条件实验室高频电磁感应炉
我一生所有的骄傲与高潮
不过是你眼的星辰大海

参考