首页 我的图书馆 个图VIP
史上最牛逼的三位物理学家

你有没有尝试过,从摩天大楼的顶楼纵身跳下?应该没有。为什么?因为你会死。我也会,所有人都会。那么,我们是怎么知道这一点的呢?答案既简单又神秘深奥。其中包含了人类能够征服地球和一小部分太空的原因。它与自然界的定律有关。不管我们有多少知识,在学校是否喜欢科学,如果我们仔细考察内心,都会有这样一个直觉——自然界是有规律的,而且这些规律无法打破。任何人从太高的地方跳下都会摔死,就是其中的一条。在人类进入文明时代的几千年里,有许多智者在不停地搜寻这些定律。他们成功地找到了一些,今天依然热情不减,这些能够揭开大自然奥秘的学科被称为“理论物理学”,它使人类进入了一个神奇的王国。

万有引力

古希腊哲学家柏拉图曾经说过:数学是上帝与人类交流的语言。英国天文学家、物理学家、数学家、自然哲学家牛顿创造了一种全新的语言——微积分,这种数学分析法能够描述人类所感受到的任何事物。而理论物理学的王国就是伴随着这个发明开始建造的。除此之外,牛顿更牛逼的地方在于他发现了“万有引力公式”。只要有人跌落,他的公式就能告诉你,这个跌落将在哪里以多快的速度结束。牛顿对物理学的最大贡献是:用公式给物体如何相互吸引定了量。可是,他穷尽一生都没能解释清楚——引力到底是什么,又来自何处?在牛顿生活的时代,没有任何实验可以证伪他的公式。但是,与宇宙相比,地球再怎么看都是微不足道的。一颗微小尘埃上正确的规律,未必在整个星系的尺度上正确。

太阳系

牛顿的公式虽然适用于金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星,能够对这些行星的轨道进行精确描述。但是,在离太阳最近的水星那里出了一点点问题。又过了二百多年,这一点点误差改变了人类对于空间以及时间的一切认知。正如天文学家马丁·里斯所说,好的科幻小说胜过差的科学研究。牛顿去世188年后,有个叫爱因斯坦的人,突然提出一个非常奇怪的新想法。他抛弃了把引力看作一种力的观念。他认为引力是一种几何学,是曲线与斜坡,由质量和能量所产生。就像是一个很重的球被放在一张拉紧了的橡皮膜上,橡皮膜会在球的周围向下弯曲。如果你在橡皮膜上涂满肥皂,任何在橡皮膜上行走的东西,比如一只蚂蚁走到弯曲的部分,它就会滑向那只球。对于那只蚂蚁来说,这种效果就如同引力。

引力是一种几何学

所有物体都在任何方向上产生看不见的斜坡,我们称之为引力。物体越致密,其产生的斜坡就越陡。如果所有的物体都能让宇宙的构造变弯,那么能量也可以,因为根据狭义相对论,能量就是质量,质量也就是能量。公式E=mc²表示一个物体的能量等于其质量乘以光速的平方。爱因斯坦通过这个公式告诉我们,质量与能量只是同一种东西的两面。宇宙中任何一个地点的形状由该处的质量与能量决定。在外太空,各个天体之间看起来一片虚空,但实际上它并不是空的。同样,也并非静止不变。它是一个运动和变化着的几何实体,我们称之为“宇宙构造”。爱因斯坦发现这个构造是空间与时间的混合体。他又用广义相对论告诉我们,时空是如何被其包含的物质所弯曲,以及该效应的反作用。一边是能量与质量,另一边是时空的几何学,对于引力来说两者是一样的概念。时空弯曲就发生在我们身边。月亮造成的时空弯曲,让存在于地球表面的水向月球滑去。这就是月亮产生潮汐的原因。太阳在更远的地方,它那陡峭的时空弯曲让太阳系所有的行星、彗星和小天体们都顺着滑下,以不同的速度和高度绕着太阳旋转,就像是在一个超级大碗中转动的玻璃珠。邻近太阳的其它恒星对时空的弯曲效应会与太阳系争夺彗星。这些彗星就像是一颗玻璃珠转动到一只大碗的边缘后落入另一只碗。在太空里,永远会有一只大碗在边上等着捕获你。银河系中所有恒星对时空的弯曲叠加在一起,就成为银河系对时空的弯曲。银河系与邻近星系的弯曲竞争构成了本星系群的时空弯曲。本星系群又与其它星系群进行弯曲竞争,如此永无止境。而爱因斯坦用一个公式就解释了这一切。

恒星对时空的弯曲叠加

干得好,爱因斯坦!你真是太牛逼了!但是,你记得牛顿的万有引力公式在引力太强时出了问题。在太阳边上,他的方程式需要修正才能解释水星轨道的漂移。爱因斯坦通过对时空革命性的解释修正了牛顿的理论。现在,轮到爱因斯坦面对尺度的挑战了。在整个银河系的边上,面对几千亿颗恒星,而不是一颗的时候,他那个关于时空弯曲的理论还适用吗?奥尔特通过计算发现,将银河系每个恒星和尘埃云,以及所有能看到的物质都加起来,会得到无法解释的结论:要稳住银河系里任何一颗恒星按现在的速度运行而不飞走,银河系的质量远远不够。更糟糕的是,与牛顿理论与水星轨道的微小差异不同,银河系的质量差距太大了。银河系应该有五倍以上的可见质量,不然所有的恒星都会飞出银河系的巨碗。包括太阳。奥尔特肯定漏掉了什么。奥尔特在1932年的时候,作了一个惊人的预言。他认为银河系中充满了一种我们尚不知道的物质。一种至今为止尚未被任何一种手段探测到的物质,不仅在地球上,在其它任何地方都探测不到。因为它不与光相互作用,因此任何人都无法通过收集光线的望远镜看到它们。他称它们为“暗物质”。

中国发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”

很快科学家们就发现,暗物质就在那里。它的确存在着。任何地方只要有物质存在,边上就有暗物质伴随。每一公斤我们可见的普通物质,都有着五公斤没人知道到底是什么构成的暗物质伴随。它们充满了整个宇宙,但是我们就是看不见它们。后来,我们又发现了一个奇怪的现象——宇宙正在加速膨胀。在大尺度上,统治一切的是爱因斯坦的广义相对论,爱因斯坦与牛顿的引力理论一样,只允许物体间相互吸引。因此,充满整个宇宙的不管是什么物质,在长期看来,终会让大爆炸造成的膨胀变慢。而不是加速。这种令人迷惑不解的能量被称为“暗能量”,而且有趣的是,为了对应观测到的膨胀效应,暗能量应该是暗物质的三倍之多。今天,依据美国国家航空航天局的估算,宇宙的能量和物质构成如下:暗能量:72%暗物质:23%我们已知物质(包括光):4.6%这就是说,人类所看到的一切只占整个宇宙所含物质总量的4.6%。其余的都是未知。现在,你已经知道,牛顿并没有发现宇宙的终极理论,他的理论甚至无法解释水星轨道的奇怪变化,更不用说时空的膨胀了。因此,在某种意义上说,他的理论是错误的。然而,他的理论依然伟大。因为我们知道它的适用范围,我们也知道它在哪里、为什么会失败。我们可以在所有我们能控制的尺度上使用他的理论。在非常巨大和非常微小之间,以及不是非常高速,所涉及的能量也并非非常剧烈的场合,都在牛顿理论的有效范围之内。我们的常识都根植于这个世界。但在这个世界之外,还有非常快速、非常微小、非常巨大或非常高能的世界存在。在这些超越了我们日常经验的世界里,当牛顿的理论不再适用时,奇怪的新现象就会出现,暗示着在我们的视野之外,还存在着另外一些全新而神秘的现实世界。爱因斯坦有一句名言:想象力比知识更重要。

爱因斯坦

在非常快速的世界里,如果将光速作为一个不可超越的限速,现实世界将如何呈现?为了回答这个问题,爱因斯坦想象自己坐上了一颗光子,在光子上观察世界,结果就是他的狭义相对论。或许有一天你能走得与光一样快,但你将为此作出重大牺牲:你需要放弃自己的质量。光无法携带任何质量,一点都不行,这才是光速如此之快的原因。任何带有质量的东西在加速过程中都会变得越来越重,直到有一天变成黑洞。狭义相对论还有一个令人难以接受的推论:你的速度越快,时间膨胀就越明显。如果你的时间膨胀了,长度就会收缩。当你的速度接近光速时,你会发现,正前方的距离变短了。飞过地球,你又会发现,地球上的一切都在发疯般地快进。这时候,你的二十四小时依然是二十四小时,只是在其他人眼中你活得比他们长。这个理论将现在的你快进到别人的未来变为可能。但是,想要通过快速移动而活得更长则不会实现。爱因斯坦的狭义相对论揭示了快速世界的奥秘。更进一步的广义相对论统治着非常巨大和能量非常密集的世界。而在非常微小的世界里,则是量子场论的天下。普朗克与爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他发现了能量量子化,建立了“量子物理学”。受他的启发爱因斯坦提出了光子的概念。因此普朗克对物理学跃入量子世界做出了重要贡献,并于1918年荣获诺贝尔物理学奖。

普朗克

普朗克的牛逼之处在于,他发现宇宙中存在一个尺度门槛,低于这个门槛,量子效应将不能被忽略,而比这个门槛大的物体,一切都显得正常。对于它们,牛顿所理解的自然规则都能适用,它们的一切行为都与我们日常生活经验相符合。但是,将那个物体压缩得越来越小时,牛顿的描述开始失效。在这个非常微小的世界里,是普朗克理论的天下,那就是量子世界。在自然界中有一个常数告诉我们大概在什么尺度上,量子效应开始出现。它被称为普朗克常数。普朗克常数与光速和引力常数一起构成了自然界普遍适用的基石。一天,普朗克开始摆弄这三个常数,他用它们构建出三样东西。普朗克质量,一克的一百万分之二十一。普朗克长度,一米的一万亿亿亿亿分之一。普朗克时间,一秒的一百亿亿亿亿亿分之一。它们对应的是门槛,只要低于这些门槛,引力与量子物理学就无法脱离对方单独使用。我们需要建立一个“量子引力理论”来解释这个世界。在现实中,它又意味着什么呢?它意味着普朗克尺度给出了最小黑洞的尺寸极限。所以,今天的科学所能想象的最小黑洞的质量为一个普朗克质量。它的直径为一个普朗克长度。这样一个黑洞因蒸发而消失的时间是一个普朗克时间。宇宙的秘密隐藏在微观世界与宏观世界的尽头。

美国艺术家画笔下的可见宇宙

从人类的主观角度来说,我们的可见宇宙是一个半径为一百三十八亿光年的球体,里面布满了巨大纤维状的星系群。暗能量抵消了引力的作用,让宇宙膨胀得越来越快。开始放大,让我们由宏观世界返回微观世界。现在你已经能够看到拥有几千亿颗恒星的银河系。继续放大。你看到了太阳和地球,然后是地球上的人类和人类身上的细胞,构成细胞的分子、原子、电子与光子、质子与中子、夸克与胶子。再放大。你到了量子场的世界。在这里,引力被各种量子作用力盖过。你接着放大,你到达了普朗克尺度,这是人类观察微观世界的极限,你不得不停了下来。现在,让我们由微观世界回到人类可见宇宙的尽头。那是一道连光线都无法透过的墙——临界最后散射面。今天你能看到的最古老的光就来自这里,出发于一百三十八亿年前,大爆炸之后三十八万年,当宇宙足够冷却、开始变得透明的时候。

宇宙的演化历程

有人用爱因斯坦的方程式计算得出,那道墙的温度高达3000℃。彭齐亚斯和威尔森在1978年获得了诺贝尔物理学奖。他们用天线接收到了一种温度信号,它是位于可见宇宙尽头的临界最后散射面所残余的热量,-270.42℃的微波冷光。光波的颜色与能量取决于两峰之间的距离。经过时空长达一百三十八亿年的拉伸,这束光的颜色开始是靛色,然后变蓝、变绿、变黄、变橙、变红……接着就变得无法被我们的眼睛看见,变成红外线,然后是微波。这个微波信号布满了太空,被彭齐亚斯和威尔森接收到了。它是“大爆炸理论”的铁证之一,被称为宇宙微波背景辐射。相对于我们的可见世界而言,大爆炸就位于临界最后散射面之后。距离临界最后散射面三十八万年。也可以说,比宇宙变得透明早三十八万年。临界最后散射面的另一边,后来变成我们可见宇宙的东西可被形容为一团由物质、光、能量与曲率混合在一起的汤。让我们一起逆着时间往回走,它越来越致密、越来越热……你现在处于宇宙变透明前的三十八万年,空间与时间诞生后的第三分钟。温度一千亿度。原子核都已崩解。你继续移动,一秒一秒地回溯时间,围绕在你身边的光子们都变成了物质与反物质对。你穿行在这个充满着可怕能量浓汤的宇宙之中,所有的一切都在猛烈摇晃,被引力弯曲并压碎,各种场被激发到疯狂的地步。虽然你很想多看一会儿,但你还是向着时间的源头走去。现在你离最后目的地只有百万分之一秒的差距。温度已经上升到一亿亿度。中子崩解,夸克们获得了自由。你看看周围,意识到物质、光与能量的差别已经失去了意义。继续向前,宇宙的温度高达一万亿亿度。夸克与反夸克不见了。胶子们消失在背景场之中。空间与时间诞生在这一事件之后的一百万亿亿亿分之一秒的时候,后来成为我们整个宇宙的一切,都被压缩在一个直径十米的球状空间里,而且它还在收缩。温度达到了一千亿亿亿度,并且还在上升。与人类历史中的那些巫师、圣人和嗑药者,哭着喊着、说过唱过、写过画过、跳着舞表达的“一生万物,万物归一”的想法一样,构成所有物质的各种场都被统一为大统一场。只有引力位于这个被统一到一起的作用力之外。事实上,你只是到达了被称为“大爆炸”的时间而已。在这个时间,大统一场所储存的能量开始转化为粒子。

宇宙超光速暴胀产生了引力波

你还想继续前进,回到比大爆炸更早的地方,直到我们的宇宙诞生之时,但好像哪里出了问题。你一直使用到现在的空间与时间的概念不再适用了。引力对于时空带来的弯曲过于强烈。量子效应也过于强烈。没有了时间,没有了空间,没有时空,你无法继续前行。在这种情形下,旅行已经不再有意义。你还没有抵达宇宙的起源,你甚至不知道怎样才能抵达那里。多么扫兴。你到达的地方是另一道墙。它与限制你从地球上看宇宙的临界最后散射面不同,这道墙挡住的不是光,而是现代知识。这也是普朗克尺度给我们带来的困惑。在这道普朗克墙的后面,是“量子引力”的世界。在那里,自然界所有已知的场可能会以一种量子的方式被统一。黑洞与普朗克墙背后都牵涉到巨大的能量被禁锢在很小的空间中,而且它们都有将非常大的尺度缩到非常小的情形,引力和量子效应都不能忽略。所以,从某种意义上说,黑洞与普朗克墙背后的宇宙起源看上去非常相似。

黑洞在喷射X光和伽马射线

1975年,英国物理学家霍金计算出黑洞会蒸发。量子效应让黑洞蒸发。掉入其中的一切未必永远被禁锢其中,它能逃出来,虽然我们不知道途径。黑洞能够蒸发,就像具有温度一样。这种温度被称为“霍金温度”。至今为止,这是显示“量子引力理论”可能存在的唯一暗示。那么,宇宙从哪里来? 又要到哪里去?它的真相又在哪里?我们的现实就根植于微观世界的某个地方。因为这是构建世界的本质所在,也是构建我们自己的本质所在。我们至今没有实验探索到这个尺度,很可能在到达普朗克尺度之前,那里的时间与空间就已经发生了变化。正因如此,引力、物质和光的本质在那里也会发生巨大的变化。一批最优秀的科学家想出了一个令人脑洞大开的弦理论。在微观世界的尽头,一根开放的量子弦振动产生的不是声音,而是光。一颗光子,电磁作用力的携带者。一根闭合的量子弦也在振动。但是它的振动对应的不是光子,而是引力子,引力的携带者。从牛顿到爱因斯坦,你放弃了宇宙是静态的和一成不变的,以及引力是一种作用力的想法,你不得不引进时空这一概念,三维空间与一维时间交织在一起,成为四维的时空,而且时空还在质量与能量周围发生变形。从牛顿到量子物理学,你不得不放弃粒子是一个固定的点,你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在,从引力理论、量子场理论到弦理论,你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦构成的理论。可惜这并不简单。你在弦的世界里,不得不放弃现实中只有四维的观念,因为弦无法存在于一个只有四维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙中。

十维空间

有非常多的可能性来综合维度构成一根弦,每一种维度的组合都产生一种不同的现实。物理学家们甚至计算出各种可能的数量和是:十的五百次方。每一种可能性都对应一种宇宙的可能,虽然那些宇宙未必与我们的宇宙相似。在这么多可能的宇宙中,只有少数几个与我们的宇宙所遵循的自然规则相同。你能够成为你自己,作为人类存在,这个宇宙必须选中一组特殊维度的组合,否则它的自然规则将无法允许我们存在。这种选择是如何发生的?依然没有人知道,只知道这种选择必然已经发生,否则你就不会存在于我们的宇宙之中。弦理论目前是最有可能成为“量子引力理论”的候选者之一,它所研究的地方就算是人类最强大的计算机也无法进行计算。只有人类的思想能够到达那里。我们毫不怀疑未来会有更多的发现,既包括理论上的,也包括实验上的,它们将会打开通往全新宇宙图景的窗户,那些宇宙图景会比今天所有大胆的想象更令人难以置信。到那个时候,广义相对论和量子场理论也会与牛顿的理论一样完美,因为那时候我们会知道它们在哪里失效,以及为什么会失效,它们会被哪些新理论所取代。然而现在,它们都只是表现出与当年牛顿理论同样意义上的错误。正是有了这些错误,我们才能瞥见未知。所以为了找到正确,我们需要错误,这样我们才能打破横亘在人类面前的“普朗克墙”,继续向前进步。

科学界最牛逼的合影

合影中有:爱因斯坦、普朗克、居里夫人、洛仑兹、泡利、波恩、玻尔、海森堡、薛定谔、小布拉格、德布罗意、狄拉克、朗之万、郎缪尔、康普顿、德拜、理查森等17位诺贝尔奖获得者。参考书籍:《时间简史》《极简宇宙史》《大学物理》《漫步到宇宙的尽头》

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
下载APP,好文好书随时看
来自:慕容宇月  > 待分类
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
让物理学革命再来一次
时间和空间是分离的
我们离爱因斯坦想了解的“上帝的思想”,还有多远?
卡洛·罗韦利《现实不似你所见》笔记
爱因斯坦凭啥那么强?没有他,科学或许倒退50年!
秒懂霍金理论(1)大统一时空观
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!