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转述《七堂极简物理课》3、粒子和空间的颗粒

《物理》3、粒子和空间的颗粒 来自晓书童频道 21:47

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转述《七堂极简物理课》3、粒子和空间的颗粒



今天继续为您转述《七堂极简物理课》。


第三课,粒子


上节课我们说到了宇宙,里面有光和其他物质在运动。光由光子组成,这是爱因斯坦凭直觉想出的光的微粒。我们看到的物体都是由原子组成的。原子由一个原子核和围绕它的电子组成,原子核由紧密聚集在一起的质子和中子构成。质子和中子则由更小的粒子构成,美国物理学家盖尔曼为它们取名“夸克”。我们所触碰到的每样东西都是由电子和这些夸克组成的。


夸克之所以能够在质子和中子里“黏”在一起,是因为一种物理学家们称作“胶子”的粒子,它是从英文的“胶水”变化而来的,科学家们取名时似乎并没有发觉这个词有点可笑。


我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的,它们就是粒子物理学中所讲的“基本粒子”。除此之外还有几种粒子,例如中微子——它布满了整个宇宙,但并不跟我们发生交互作用,还有希格斯玻色子,他是在不久前日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机发现的粒子。但这些粒子并不多,只有不到十种。这少量的基本原料,如同大型乐高玩具中的小积木,靠它们建造出了我们身边的整个物质世界。


量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。这些粒子当然并不像小石子那般真实可感,而是相应的场的“量子”,比方说光子是电磁场的“量子”。它们的消失和重现遵循量子力学的奇特定律:存在的每样东西都是不稳定的,永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。


即使我们观察的是空间中一块没有原子的区域,还是可以探测到粒子的微小涌动。彻底的虚空是不存在的,就像最平静的海面,我们凑近看还是会发现细微的波动和振荡。构成世界的各种场也会轻微地波动起伏,我们可以想象,组成世界的基本粒子在这样的波动中不断地产生、消失。


这就是量子力学和粒子理论描述的世界。这和牛顿的世界相去甚远:在那里,冰冷的小石子在不变的几何空间里沿着精确而漫长的轨迹永恒不变地运动着。量子力学和粒子实验告诉我们,世界是物体连续的、永不停歇的涌动,是稍纵即逝的实体不断地出现和消失,是一系列的振荡,就像20世纪60年代时髦的嬉皮世界,一个由事件而非物体构成的世界。


粒子理论的细节在20世纪50—70年代逐渐得到完善。参与这项工作的有20世纪最伟大的物理学家,如理查德·费曼和盖尔曼,还有一群举足轻重的意大利人。这些细节的建构导出了一个复杂的理论,它建立在量子力学的基础上,被称为“基本粒子标准模型”,一个不太浪漫的名字。


20世纪70年代,在其所有预测被一系列实验证实之后,这个“标准模型”终于得以确立。1984年,意大利现在的参议员卡洛·鲁比亚还凭着这个模型的首批数据获得了诺贝尔奖。2013年希格斯玻色子的发现,完成了“标准模型”确认工作的最后一环。


虽然有一系列成功的实验,物理学家们却从未真正认真看待“标准模型”。这个理论至少第一眼看上去零零碎碎,东拼西凑。它由不同的理论和方程集合而成,看不出有什么清晰的秩序。它描述了某些场,通过由某些常数决定的某些力相互作用,表现出某些对称性。这距离广义相对论和量子力学的简洁方程还很遥远。


标准模型方程对世界进行预测的方式也复杂得离谱。直接使用这些方程会得出毫无意义的预测,因为计算出来的每个数都是无穷大。要想得到有意义的结果,必须假定参数本身就是无穷大,才能抵消荒谬的结果,让它们变得合理。虽然它在实际应用上是可行的,但那些追求简洁的人却仍然觉得它有所欠缺。


爱因斯坦之后20世纪最伟大的科学家,量子科学最重要的建立者,标准模型第一个也是最主要的方程的作者叫做保罗·狄拉克,在他生命的最后几年曾反复表达他对这一状况的不满,他说:“我们还没有解决这个问题。”


近几年,标准模型还出现了一个明显的缺陷。天文学家们发现,在每一个星系的周围都存在着一团巨大的云状物。我们是通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象才间接发现它的。我们无法直接看到这团巨大的云,也不知道它由什么组成。科学家们提出了很多假设,却没有一个说得通。很明显有东西在那儿,但它具体是什么,我们却无从知晓。今天我们把它称为“暗物质”,一种无法用标准模型描述的东西,不然我们也不会看不见它了。它不是原子,不是中微子,更不是光子。


亲爱的读者,天空和大地上存在着超出我们的哲学或物理学想象的东西,这也不是什么新鲜事了。就在不久之前,我们还在怀疑无线电波和中微子的存在呢,尽管它们充满了整个宇宙。


迄今为止,标准模型仍然是解释物质世界最好的理论,它的预测全都得到了证实。除了暗物质和广义相对论中被描述为时空曲率的引力之外,其它的它都很好地解释了已知世界的方方面面。


曾有人提出其他理论,试图替代标准模型,但都被实验推翻了。例如,20世纪70年代有人提出了一个叫做SU(5)理论,它看起来很不错,用一个更简洁优雅的结构取代了标准模型中无序的方程。这个理论预测质子会以一定的概率衰变,分解成电子和夸克。科学家们造了很多巨型仪器,来观测质子的衰变。由于衰变需要太长时间,所以不能一次只观测一个质子,有些物理学家为寻找可观测到的质子衰变奉献了一生。可是,唉,至今还没有人观测到质子的衰变呢。SU(5)这个漂亮的理论,虽然简洁美妙,却得不到上帝的青睐。


同样的故事也许正在上演。有一种被称为“超对称”的理论预言存在一类新粒子。在整个物理生涯中,我不断听说有同事在满怀信心地期待着这些粒子被发现。但是随着时间的流逝,一天天、一月月、一年年、数十载……这些超对称粒子依然没有现身。物理学史并非只有成功。


所以我们现在还只能依赖标准模型。它可能不太优美,但是用来解释我们周围的世界却很好用。谁知道呢,仔细想想,或许并不是这个模型不优美,而是我们还没有学会从正确的角度看待它,没有发现隐藏其中的简洁。


如今,我们对物质的认识是这样的:


屈指可数的几种基本粒子,不断地在存在和不存在之间振动、起伏,充斥在似乎一无所有的空间中。它们就像宇宙字母表里的字母,以无穷无尽的组合,讲述星系、繁星、阳光、山川、森林、田地,以及节日里孩子脸上的笑容和星光璀璨夜空的漫长历史。


第四课、空间的颗粒


我前面介绍的物理理论,尽管有些晦涩繁杂,并且有的问题仍旧悬而未决,却已经比过去更好地描述了这个世界。我们本该对此心满意足,可事实却并非如此。


在我们所了解的物理世界的中心,存在着一个悖论。我说过,20世纪物理学的两颗明珠是广义相对论和量子力学。前者是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞以及其他许多研究的起源;后者则是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础。这两个理论带来了丰富的成果,奠定了当代科技的基石,彻底改变了我们的生活方式。但这两个理论不可能同时正确。至少依照目前的形式,它们是相互矛盾的。


一个大学生如果早上听了广义相对论的课,下午学了量子理论,可能会觉得教授们犯糊涂了,或者怀疑他们是不是至少有一个世纪没有交流过了,不然为什么早上世界还是弯曲的空间,所有东西都是连续的,下午它就成了一个能量量子跃动的平直空间?


悖论在于两个理论都非常好用。


大自然就像一位年长的智者,有两个人跑去找他解决争端。听了第一个人的话,智者说:“你说得有道理。”第二个人坚持为自己辩解。智者听完对他说:“你说得也有道理。”智者夫人在另一个房间听到了他们的谈话,大声说道:“但是他们两个不会都有道理吧?”智者认真思考了一下,点点头说:“你也很有道理。”


一群散布于五大洲的理论物理学家正在努力解决这个问题。这个研究领域被称为“量子引力”,其目标是找到一个理论,也就是一系列方程来解决现在这种“精神分裂”的局面。


物理学已经不是第一次面对两个看起来完全对立的伟大理论了。而过去每一次成功地将相互矛盾的两个理论统一时,我们的世界观都产生了巨大的飞跃。牛顿整合了伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动,发现了万有引力。麦克斯韦将电和磁的理论结合起来,提出了电磁场方程。爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时,发现了相对论。


因此,物理学家发现这种伟大理论之间的矛盾时只会兴奋不已:这是一个难得的机会。我们是否可以建立一个思考世界的概念框架,来兼容上述两种理论呢?


在这里,在科学的前沿,在人类认知能够抵达的边界,科学变得愈发迷人了,它闪耀在对原初想法的锻造中,在直觉和尝试里,在那些被选择又被放弃的道路上,在不断产生的热情中,在于努力想象那些从未被想象过的事。


二十年前,这个领域还是一团迷雾,现在道路已经出现,唤起了大家的乐观与热情。然而道路不止一条,因此还不能说问题已经解决。多样性引发了争论,但这是健康的:在迷雾完全消散之前,相互批评,各抒己见,是有益而无害的。解决这个问题的一个重要尝试是一个叫做“圈量子引力”的研究方向,许多国家的研究小组都在从事相关研究。


圈量子引力试图把广义相对论和量子力学结合起来。这个尝试很谨慎,它只使用这些理论中已有的假设,适当改写这两个理论,使它们相容。但它的结论相当激进:它又一次深刻地改变了我们看待现实世界结构的方式。


它的中心思想很简单。广义相对论告诉我们空间不是一个静止的盒子,而是在不断运动,像一个移动中的巨大软体动物,可以压缩和扭曲,而我们被包在里面。另一方面,量子力学告诉我们,所有这样的场都“由量子构成”,具有精细的颗粒状结构。于是物理空间当然也是“由量子构成的”。


这正是圈量子引力的核心结论:空间是不连续的,不可被无穷分割,而是由细小的颗粒,或者说“空间原子”构成的。这些颗粒极其微小,比最小的原子核还要小几亿亿倍。圈量子引力用数学形式描述了这些“空间原子”,也给出了它们演化的方程。它们被称为“圈”或环,因为它们环环相扣,形成了一个相互关联的网络,从而编织出了空间的纹理,就像细密织成的巨大锁子甲上的小铁圈一样。


这些空间的量子在哪里?它们不存在于任何地方,也不在“空间之中”,因为它们本身就是空间。空间就是一个个引力量子相互勾连而成的。世界又一次显得更接近关系的集合,而非物质的集合。


圈量子引力理论的第二个结论更为极端:在“空间是连续的、物体存在其中”这个观念消失后,“时间不受事物影响、一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。这些描述空间和物质的颗粒的方程不再包含“时间”这个变量。


这并不是说一切都保持稳态,没有变化。相反,它说明变化是普遍存在的,但我们不再能把这个基本过程形容为“一个瞬间接着另一个瞬间”。在空间颗粒的微小尺度下,大自然的舞步不再追随,唯一的乐团指挥手中,那根棒子所挥出的同一节拍,每一个物理过程都有自己的节奏,独立于邻近的其他过程。时间的流逝发生在世界之内,从量子事件之间的相互关系中产生,这些量子事件本身就是时间的源头。


这个理论描述的世界和我们熟知的那个相去甚远。这里不再有“包含”着世界的空间,也不再有事件发生“于其中”的时间。这里只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程。我们周围连续的空间和时间只是这些密集发生的基本过程产生的模糊景象。就像阿尔卑斯山上平静而清澈的湖泊,其实是无数微小的水分子快速舞动形成的。


这个理论可以通过实验证实吗?我们正在进行思考和尝试,但目前还没有得到实验的证实。然而,已经有很多不同的尝试了。


其中之一源于对黑洞的研究。我们现在可以观测到天空中由恒星坍缩形成的黑洞。被自身的重量压垮后,组成恒星的物质坍塌,并从我们的视野中消失了。但它去了哪里呢?


如果圈量子引力理论正确的话,那么物质不可能坍缩成一个无穷小的点,因为无穷小的点是不存在的,存在的只有一块一块的有限空间。被自身重量压塌的物质,会变得越来越密,直到量子力学可以产生一个反作用力,来抗衡这个压力。


我们假定在恒星生命的最后阶段,时空的量子浮动平衡了物质本身的重量,这个阶段的恒星就被称为“普朗克恒星”。如果太阳停止燃烧,形成一个黑洞,那这个黑洞的直径约为1.5千米。在黑洞内部,组成太阳的物质会继续坍缩,最终形成一颗如原子般大小的普朗克恒星。组成太阳的全部物质挤压在一个原子大小的空间里,普朗克恒星就是由这种极端的物质状态形成的。


普朗克恒星是不稳定的。一旦压缩到最大程度,就会回弹,重新开始膨胀。这就会导致黑洞的爆炸。假设有一个人在黑洞内部,坐在普朗克恒星上,他看到的爆炸过程其实是极高速的回弹。但是,时间流逝的速度对于他和黑洞外的人是不同的,就像时间在高山上比在海边流逝得快一样。只因为是极端情况,所以这里时间流逝的速度差异极为巨大。对黑洞内部的观察者来说回弹是瞬间发生的,对外部的人来说却是一个极为漫长的过程。所以在我们看来,黑洞在很长时间内都没有变化。我们说黑洞就是回弹的恒星,只不过这个过程是以极慢的速度在我们眼前播放的。


有可能在宇宙初生瞬间的熔炉里,就有黑洞形成,其中有一些现在还在爆炸。如果是这样的话,我们或许可以在天空中观测到它们爆发时发射的信号,也就是来自天空的高能宇宙射线,从而观察和测量由量子引力支配现象的直接效果。这是一个大胆的想法,有可能行不通,比如原始宇宙中并没有形成足够的黑洞,让我们今天还能观测到它们的爆炸。但是寻找信号之旅已经开始了,让我们拭目以待。


这个理论的另一个结论极其轰动,它有关宇宙的起源。我们已经知道如何重建宇宙的历史,追溯到最初它只有一丁点的时候,但是在此之前呢?圈量子引力的方程让我们可以把宇宙的历史再往前推一点。


我们发现,当宇宙被压缩到极限的时候,根据量子理论会产生一个反作用力,造成大爆炸,这个著名的大爆炸很可能实际上是大反弹:我们的宇宙在自身重量下坍缩到非常小,然后反弹,开始膨胀,变成现在我们周围不断扩张的宇宙。宇宙被压缩到坚果壳大小,开始回弹的那一瞬间,就真正进入了量子引力的领域:时间和空间一起消失了,世界融化成一团涌动的概率云,尽管如此,我们还是可以用方程描述它。


我们的宇宙很可能诞生自某一个状态后的反弹,经历了一个过渡时期,在此期间,时间和空间都荡然无存。


物理开阔了人类的眼界,我们看到的东西不断地让我们惊异。我们意识到人类满脑子都是偏见,我们对世界本能的认识是片面和狭隘的。世界在我们的眼前不断变化,我们对它的认识也在一点一点地不断深入。


地球不是平的,不是静止不动的。如果我们把20世纪物理学所有的发现放在一起,得到的线索会完全推翻我们以往对物质、空间和时间的认识。圈量子引力就是在试图破译这些线索,让我们看到更远的地方。


好了,今天的分享就到这里,希望你能在这几期节目中享受到物理之美,后面的最后一期转述我会很快更新。


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