科學也可以如此靠近

史上最強宇宙科普文章:理解了這15個知識點,你將不再懷疑人生!

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23
2018

2018年1月23日02時 今日科學 兩個質子lgzz

兩個質子lgzz

憑籍本文,回顧一下兩百年來的科學史,看看那些代表著人類最高心智的數學家、物理學家們前仆後繼探究宇宙本源的奇妙歷程,並向他們致以最崇高的敬意!

《Hypersapce》和《The Shape of Inner Space》

這是一部壯麗的物理史詩,

這是一串光耀後世的姓名。

他們是:牛頓,高斯,黎曼,麥克斯韋爾,愛因斯坦,楊振寧,羅摩奴詹,霍金,維藤……(且慢,最近十年,我們只能在娛樂版看到的楊老師,居然可以和那些大師比肩嗎?可以的!以楊老師和他的學生命名的楊-米場,即所謂標準模型,成功地解釋、整合了四種自然力中的三種)

第五屆索爾維會議合影

後排左起:A.皮卡爾德,E.亨利厄特,P.埃倫費斯特,Ed.赫爾岑, Th.頓德爾(德康德),E.薛丁格,E.費爾夏費爾德,W.泡利,W.海森堡,R.H.否勒,L.布里淵

中排左起:P.德拜, M.克努森,W.L.布拉格, H.A.克萊默,P.A.M狄拉克, A.H.康普頓,L.德布羅意,M.波恩,N.玻爾

前排左起:I.朗繆爾,M.普朗克,居里夫人,H.A.洛倫茲,A.愛因斯坦,P.朗之萬,Ch.E.古伊,C.T.R.威爾遜,O.W.里查遜

上世紀初,一位比利時的實業家歐內斯特·索爾維創立了索爾維會議。1911年,第一屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開,以後每3年舉行一屆。1927年10月,第五屆索爾維會議召開,因為發軔於這次會議的A.愛因斯坦與N.玻爾兩人的大辯論,這次索爾維會議被冠之以「最著名」的稱號。

那麼,這些智慧的頭腦到底有多智慧?

我們普遍接受這樣一個結論,即我們現存的這個宇宙起源於一次大爆炸,英文叫做「Big Bang!」1

STUD備註1:

在當今的科學界,支持大爆炸理論是壓倒性的共識, 然而在二十世紀二十至三十年代,幾乎每一個主流宇宙學家都更喜歡穩恆態理論,還有很多人指責說大爆炸理論提出的宇宙在時間上的開端是將宗教概念引入了物理學中。

穩態理論是物理宇宙學中的一個宇宙模型假說,與大爆炸理論同時出現。穩態理論假設,隨著宇宙擴張,新的物質會不斷產生,使宇宙符合完美宇宙學原理(Perfect Cosmological Principle)。隨著越來越多的天文學與物理學證據支持大爆炸理論,穩態理論目前已經被視為是過時的假說。

但是,原子物理學家絕不可以止步在如此初級的常識上。他會告訴你,創世的剎那,是如下的演化階段:

話說:一切,開始於10E^- 43 秒……(10的負43次方秒,也稱為普朗克時間2,人類已知的最小時間存在。普朗克時間=普朗克長度/光速。光速定義值:c=299792458m/s=299792.458km/s。請注意了,這是一個定義值,而不是一個測量值。

普朗克

STUD備註2:

馬克斯•普朗克是德國著名的物理學家和量子力學的重要創始人,和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家。普朗克十分具有音樂天賦,他會鋼琴、管風琴和大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會(Akademischer Gesangverein

Munchen)為多首歌曲和一部輕歌劇(1876年)作曲。但是普朗克並沒有選擇音樂作為他的大學專業,而是決定學習物理。

普朗克常數

普朗克常數記為h,是一個物理常數,用以描述量子大小。在量子力學中占有重要的角色,馬克斯·普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現,只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的,而是一份一份地進行的,計算的結果才能和試驗結果是相符。

這樣的一份能量叫做能量子,每一份能量子等於普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率。

普朗克常量-內部結構模型圖

言歸正傳,創世的剎那:

1

創世時間表

# 10E-43秒,十維宇宙分裂成一個四維宇宙和一個六維宇宙。六維宇宙崩潰,縮成10E-32公尺。
四維宇宙(我們今天所在的宇宙)則迅速爆炸,此時的溫度高達10E32(10的32次方)度;

# 10E-35秒,大一統作用力3崩解;

STUD備註3:

大一統理論,即統一理論(GrandUnification Theory,縮寫GUT)是關於強相互作用和電弱相互作用統一的理論,希望能藉由單個理論來解釋強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用導致的物理現象。

根據近一個世紀的科學探索與觀測,理論物理學家們由此得出了一些關於力的統一的幾種假說,如標準模型說,網格說,超弦說,等等。而且,標準模型可以正確地描述基本粒子之間的相互作用。

# 10E-9秒,電弱對稱崩解,此時的溫度是10E15度;

# 10E-3秒,夸克4開始凝聚,中子與質子出現,此時的溫度是10E14度;

STUD備註4:

夸克(英語:quark,又譯「層子」)是一種基本粒子,也是構成物質的基本單元。夸克互相結合,形成一種複合粒子,叫強子,強子中最穩定的是質子和中子,它們是構成原子核的單元。

夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯•喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》的詞句「向麥克老人三呼夸克(Three quarks for Muster

Mark)」。無非是指一個質子中有三個夸克。另外夸克在該書中具有多種含義,其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為,這適合他最初認為「基本粒子不基本、基本電荷非整數」的奇特想法,同時他也指出這只是一個笑話,這是對矯飾的科學語言的反抗。另外,也可能是出於他對鳥類的喜愛。

# 3分鐘,質子與中子5開始凝聚成穩定的原子核;

STUD備註5:

歐內斯特•盧瑟福,紐西蘭著名物理學家,知名為原子核物理學之父,提出了中子和質子的概念。學術界公認他為繼法拉第之後最偉大的實驗物理學家。因為「對元素蛻變以及放射化學的研究」,他榮獲1908年諾貝爾化學獎。

盧瑟福屬於那種「性格極為外露」的人,他總是給那些見過他的人留下深刻的印象。當他的同事評論他有不可思議的能力並總是處在科學研究的「浪尖」上時,他迅速回答道:「說的很對,為什麼不這樣?不管怎麼說,是我製造了波浪,難道不是嗎?」幾乎所有的科學家都同意這一評價。

在盧瑟福培養下,他學生和助手有多人獲得了諾貝爾獎。盧瑟福的實驗室被後人稱為「諾貝爾獎得主的幼兒園」。他的頭像出現在紐西蘭貨幣的最大面值——100元上面,作為國家對他最崇高的敬意和紀念。

紐西蘭貨幣:我製造了波浪

# 30萬年,電子開始凝聚在原子核周圍,第一個原子出現;

# 30億年,第一個似星體(quasar)出現;

# 50億年,第一個星系出現;

# 100~150億年,太陽系誕生,又經過數十億年,地球上出現了第一個生命。

這個時間表,是哪位大神寫的科幻小說吧?

NO!

這是目前已經成為眾多科學家普遍共識的

創世時間表。

的確,表中所述的那個數量級上的時間、長度、溫度等等所有的數值,沒有任何一個是可以直接測量的,因為目前咱們人類的技術和工具水平,還遠遠不能企及到那個數量級。但是,人類的心智卻做到了。

這個時間表裡面的每一個數字的背後,都是一堆嚴密的公式和演算,都有一群知名或者不知名的物理學家和數學家,他們是我們人類最智慧的大腦。

「十維宇宙分裂」6,這就是我們今天的主題了:超維度空間。讓我們一起看看,兩百年來,科學家們是如何探究世界的本源的。

STUD備註6:

科學家發現時空是10維的,減去我們看見的3維時空還有7個維度,這些額外的空間必須進行緊緻化處理,將其捲曲成普朗克尺度,因此我們看不到這樣的維度,加上1維的時間,正是我們現在看到的時空。10維超弦理論避免了量子力學與廣義相對論合併時遇到的重整化問題,還在一定程度上連接了強力、弱力、電磁力以及引力四種基本力。有人認為宏觀世界空間是三維的;微觀世界空間是三維空心球體,也可稱微觀世界空間是三維的,時間是四維的,空間總計十維。

從一維空間到十維空間的說明:

零維:點的維度;

一維:線的維度;

二維:面的維度;

三維:立體的維度;

四維:時間的維度;

五維:翹曲時間的維度;

六維:可能性的維度;

七維:單一宇宙全部可能性的維度;

八維:多重宇宙的維度;

九維:翹曲多重宇宙的維度;

十維:全部世界的維度(同時也是點的維度);

讓我們先釐清一個重要概念:

2

維度和多維宇宙

一隻在直線上行走的毛毛蟲只能前後移動,所以,我們把直線或曲線叫做:一維空間;

一隻阿米巴扁平蟲可以在球面上前後左右移動,所以,我們把平面或曲面叫做:二維空間;

一隻鳥在我們的空間可以上下前後左右移動,所以,我們的空間叫做是:三維空間;

(加上時間一維,我們的世界是四維的,合稱時空。在這個時空中你要準確標定一個點,需要四個數字,比如:淮海路、馬當路交界,二樓,下午四點。)

依此類推……

如果,有人告訴你,多維空間(四維以上)的人,看著我們的保險柜或房子時根本就是內外一目了然,就像我們看著二維平面上的圓圈一樣,你會不會大惑不解、無法想像、或者毛骨悚然?

當然,對於』眼見為憑』來說,這其實涉入了一個哲學難題。如果眼見才是真實的,那麼高維度的對象就不是真實的。

但從另一個角度來看,人不過是動物中的一種,阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界,我們如何證明我們所能感知的所謂』真實』,豈不是也受限於我們自己的認知條件?

必須承認的事實是:人類的大腦和眼睛,只是為了應付三維空間和四維時空的各種情況演化出來的,因此它們不具備辨識和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認為:宇宙真正的時空,其實是一個十維的空間,其中四維是愛因斯坦的時空流形(也就是我們的日常生活空間),另外一個和它』垂直』的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中,有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說法,十維空間是宇宙這座大琴的音箱,撥動這些弦造成不同的音高與音色,於是產生不同的基本粒子,進而發展出所有的物質與作用力。

7,有別於超弦理論,認為宇宙是從十一維開始演進的。)

STUD備註7:

M理論:作為「物理的終極理論」而提議的理論,M理論希望能藉由單一個理論來解釋所有物質與能源的本質與交互關係。其結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。為了充分了解它,愛德華•威滕博士認為需要發明新的數學工具。1984至1985年,弦理論發生第一次革命,其核心是發現「反常自由」的統一理論;1994至1995年,弦理論又發生既外向又內在的第二次革命,弦理論演變成M理論。

由於弦革命的巨大影響力,其主要研究者愛德華•威滕(Edward Witten)被美國《生活》周刊評為二戰後排名第六的「最有影響的人物」。

M理論結構圖

只有四種自然力

STUD備註8:

四種自然力與大一統:

錢德拉•塞卡的開創性工作以及霍金的深入研究表明,坍縮的恆星內部密度增加變成宇宙黑洞後,星體對外部物體的引力增大。雖然我們尚不清楚被黑洞吞噬的光,是否在這種情形下已經具有了質量,但宇宙黑洞能夠吞噬一切物體的特性,卻讓科學家感到迷惑:是不是宇宙萬物統一於能量?

由此,科學家提出了有關大一統的一種猜測:即,能量賦予物體內在的和外在的運動能力,四種基本力是同源的,引力只是物體表現出來的其所蘊含的其他三種基本力的餘力。

兩千年來,科學家已經發現我們宇宙的所有現象,都可以簡化成四個作用力:

1、電磁力(electromagneticforce):包括電力、磁力和光本身,合稱為電磁力。電荷(磁級)正負相同為排斥力,相反為吸引力。由光子傳遞,與電量成正比,距離成反比。長程力,在四種力中第2強。

2強核力(strong nuclearforce):是夸克之間的吸引力,由膠子傳遞(束縛質子和中子於原子核中的是其附加效果由π介子傳遞)。在有效距離內,距離越大,力約大。短程力,在四種力中最強,也是恆星燃燒能量的自然力,氫彈的爆炸正是運用強核力的原理。

STUD備註9:

強核力的強度與距離成反比。當兩個粒子貼近時,強核力幾乎消失。這種現象稱作「漸進自由」。

3、弱核力 (weak nuclearforce):弱核力左右了部分放射性物質的衰變形態,是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞,較弱,短程力,作用在夸克級的粒子。是四種力中第3強的。

4 (gravitational force,或稱引力):由引力子傳遞,與質量成正比,距離成反比。長程力,在四種力中最弱。

STUD備註10:

在16世紀末,人人都認為重量大的物體比重量小的物體下落得快,因為偉大的亞里士多德是這麼說的。伽利略,當時在比薩大學數學系任職,他大膽挑戰公眾的觀點,從斜塔上同時扔下一輕一重的物體,讓大家看到兩個物體同時落地,該實驗被評為"最美物理實驗"之一。

伽利略,當時在比薩大學數學系任職

為何要統一自然力?

關於這一點,物理學家寫到:

「我們能夠改變時空的結構,了解宇宙萬物的來龍去脈,讓物質變得井然有序。控制超作用力後,我們便能任意地組合與改變粒子,製造出前所未有的物質形態。我們甚至能左右空間的維度數,製造出具有不可思議屬性的人工世界。我們將成為宇宙的主宰。」

STUD備註11:

保羅•戴維斯,知名理論物理學家、宇宙學家和天體生物學家,先後在劍橋大學、倫敦大學等著名高校從事研究,現在美國亞利桑那州立大學任教,並擔任「尋找外星智慧組織」(SETI)「偵測後任務小組」任主席。該小組由世界上最著名的科學家組成,任務是在浩瀚宇宙里尋找外星智慧生物。

幾十年如一日毫無斬獲,SETI的科學家們如何度過每一天?每天早晨上班打卡,無所事事過完一天然後下班回家吃晚飯?戴維斯說,SETI科學家們的工作確實和普通人的沒什麼區別。「發發郵件,拉拉贊助,教教學生,想想怎麼才能和外星人接上頭。」

「我們從事的是一項神奇、極具挑戰的任務。它促使我們去考慮什麼是生命,什麼是智慧。」戴維斯說,「即使我們什麼也找不到,這事兒還是很有趣。」

保羅•戴維斯的《上帝和新物理學》

回看一下人類掌握「力」的歷史:

人類誕生的歷史超過數千萬年,在99.99%時間裡,人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量,大概只有八分之一馬力;

十萬年前,隨著手持工具的發明,人類的能量輸出倍增,達到一又四分之一馬力;

牛頓發現萬有引力12和運動定律,讓力學被簡化成條理分明的方程組。現代機械原理催生出蒸汽機,人類掌握的能量達到數十到數百馬力;

STUD備註12:

萬有引力定律的發現,是17世紀自然科學最偉大的成果之一。它把地面上物體運動的規律和天體運動的規律統一了起來,對以後物理學和天文學的發展具有深遠的影響。它第一次解釋了(自然界中四種相互作用之一)一種基本相互作用的規律,在人類認識自然的歷史上樹立了一座里程碑。

麥克斯韋爾13方程式,啟迪了愛迪生等發明家,人類進入電力時代,能量級數獲得飛躍,極大地改變了人們的生活。

STUD備註13:

詹姆斯•克拉克•麥克斯韋爾,英國物理學家、數學家。經典電動力學的創始人,統計物理學的奠基人之一。1856年,詹姆斯•克拉克•麥克斯韋爾被任命為阿伯丁的馬里沙爾學院自然哲學講座教授。

在阿伯丁,麥克斯韋爾認識了馬沙爾學院院長的女兒凱薩琳•瑪麗•迪尤爾,凱薩琳年長麥克斯韋爾七歲,美麗,身材比他略高,明朗坦率。1858年,麥克斯韋爾寫信給珍妮姨媽,把訂婚的事情通知她,還用詩句抒發了自己對凱薩琳的感情(同年,兩人成婚):

你和我將長相廝守

在生機盎然的春潮里

我的神靈已經穿越如此廣闊的寰宇?

我這就將我的整個生命

導入這生機盎然的春潮

將真正使三個自我

穿越這世界的廣袤

愛因斯坦的相對論為人類打開了核能利用的時代,人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

歷史地看,每當人類控制一項自然力,都能大幅提升人類所能掌握的能量,讓整個社會改頭換面。(那麼,未來的人類需要多大的能量?10E 20億電子伏特起步,超過了現在的一千億倍。否則,我們將無法使空間彎曲,解決航行到遙遠星際的難題;或者,在宇宙崩潰的瞬間,有足夠的能量打開六維宇宙,逃離滅亡的劫難。)

下面,就讓我們按照時間順序,回顧一下人類整合四種自然力的歷程:

(本文雖然涉及諸多專有詞彙,但我們儘量直白描述。理解這些前輩的偉大思想其實不難,並不需要多少艱深的專業知識,只要:一點常識+一點邏輯+一點耐心。)

第一個走進這段物理史詩的,是一位數學家:黎曼。

5

黎曼,支持愛因斯坦的巨人

牛頓曾經說:「如果說我比別人看得更遠些,那是因為我站在了巨人的肩上」。按照牛頓的這種說法,黎曼毫無疑問正是支撐起愛因斯坦的那個巨人。

一八五四年六月十日,一套新的幾何學誕生了。黎曼在德國哥廷根大學發表了著名的演說,徹底撼動了兩千年來從未被動搖過的歐幾里德幾何學。

黎曼是位數學奇才,高中時期只用區區六天時間完全吸收了《數論》(Theory ofNumber),那是一部八百五十九頁的艱澀巨著。

黎曼挑戰希臘幾何學,認為縱然歐幾里德的數學運算極為精確,它的根基卻只是常識與直覺的流沙,而不是紮實的邏輯推演結果。

比如,歐式幾何說三角形三個內角之和等於一百八十度,但這個看似簡單的問題,在數學史上卻從來沒有被嚴密證明過!而且,假如我們身處彎曲表面的世界,這個公式就不成立了。(行文至此,我們必須向歐幾里德先生表達誠摯的敬意!每次想到他老人家兩千多年前寫就的《幾何原本》至今仍然是全世界的中學課本,我就不寒而慄!那些至今未被嚴密證明過的公理,一個生活於公元前300年的希臘人是如何發現的吶?如果這個世界有「神跡」,歐先生當之無愧是其中之一!)

說回到黎曼,他的研究領域甚至延伸到電學,他認為電力與磁力實際上是同一種作用力的不同表象。據此他發展出作用力新解,作出了牛頓兩百年以降的首次劃時代重大突破,徹底推翻了牛頓的超距作用原則,他認為:作用力源自於幾何學,作用力只是由於幾何結構扭曲所造成的必然現象。(牛頓以前,科學界認為作用力是一種兩個遙距物體的即時交互作用,一個物體可以即時影響間隔一段距離的其他物體的運動。

我們總結一下黎曼的偉大之處:

1、他以多維空間理論簡化了所有自然作用力;認為電力與磁力和重力一樣,只是高維空間彎曲產生的結果。

2、他提出了蟲洞(warmholes)的概念,黎曼切口是多重連結空間的一個最簡單範例。

3、他以「場」來描述重力,以「度量張量」(Riemannmetric tensor)描述空間裡每一個點的重力場。(所謂「度量張量」,其實就是一組數字,類似坐標。)

黎曼英年早逝,並未找出電力與磁力的場方程式,也沒有計算出空間要褶皺到什麼程度才足以描述不同的作用力,這幾項重要發展留給了麥克斯韋爾和愛因斯坦。

STUD備註14:

黎曼留給後人的難題之一就是當今著名的黎曼猜想,是希爾伯特(Hilbert)在1900年提出的二十三個問題的第八問題,現在又被列為千禧年七大難題之一。它要求解決的是黎曼zeta函數ζ(s)的非平凡零點都位於複平面Re(s)=1/2直線上。數學家們把這條直線稱為臨界線。運用這一術語,黎曼猜想可以表述為:黎曼ζ(s)函數的所有非平凡零點都位於臨界線上。

黎曼猜想

6

狹義相對論,光速恆定⇒ E=mc²

我們讚美陽光!它不僅孕育了的生命,同時也照亮了人類的思想。愛因斯坦,是那個御光飛行、穿越時空的人。

愛因斯坦小時候,常以簡單問題自問自答:「如果你追上一束光線,它看起來是什麼樣子?你會不會看到一束靜止的光波,凍結在時間中?」這個問題,讓他在後五十年里,帶領人類走進了時空神秘之旅。

十六歲時,愛因斯坦發現世界上似乎並沒有能夠追上光速的東西。二十六歲時,他用嚴密的數學證明了這一發現。在瑞士專利局擔任低階職員的他,用麥克斯韋爾的場方程式推導出狹義相對論(special relativity)。

用一句話概括狹義相對論,那就是:光速在任何恆動架構里恆為常數。這個定理表面上看並不顯眼,但確是人類心靈的最偉大成就之一!

愛因斯坦指出,無論我們怎樣加速,無論我們自身的速度如何,人們所能測量的光速是一樣的。

對於這一結論,愛因斯坦給出了超脫凡俗的解釋,他認為:導致這個結果的原因是:時間變慢了!(這是石破天驚的一句)也就是說,我們移動的越快,我們的時鐘就走得越慢,我們的量尺也越短,所以,我們測量的光速是不變的。

愛因斯坦進一步思考:那麼,幾乎所有的物體都必須使用時鐘與量尺來測量,既然時間和量尺都是變化的,所以我們必須校正所有的物理量(quantity),於是他導出了下一個重大的結論:質量是從能量來的。

這個結論,一舉推翻了十九世紀的兩大物理髮現:質量守恆和能量守恆。自此以後,質量與能量被視為單一單位:質-能(matter-energy)。

二十六歲的愛因斯坦同時給出了質能變動的方程式,那就是著名的 E=mc²。

讓我們再來追尋一下狹義相對論的推導過程:

光速恆定⇒時間變慢⇒質量不恆定⇒「質量-能量」相互轉換⇒ E=mc²

俠義相對論,統一了「時-空」,也統一了「質-能」。

統一了「時-空」以及「質-能」之後的愛因斯坦,進一步思考「時空」與「質能」之間的關係,也就是狹義相對論所忽略的加速度,還有重力。

這導致了他的下一個巨大成就:廣義相對論。

7

廣義相對論,空間彎曲⇒力學=幾何學

再次,愛因斯坦由一個簡單問題開始:「如果一個人處於自由落體狀態,他就不會感覺到自己的體重?」愛因斯坦透過這個簡單問題掌握了重力的基本特性:在加速度架構下的自然律和重力場的定律是一樣的。這就是所謂等效原理(equivalence

principle)。

透過等效原理,愛因斯坦重新思考關於光速的問題:光速會受重力影響嗎?

答案是肯定的,重力場會扭曲光線的行進路線。

但是!但是,根據費瑪最短時間原理,光線會採取兩點之間的最短時間路徑,愛因斯坦再次得出一個令人震懾的結論:

如果我們可以觀測到光線以曲線前進,那就意味著空間本身是彎曲的!

(光以曲線前進這一預測,已經被後人的無數次實驗反覆證明。)

廣義相對論

廣義相對論動態圖

偉大的愛因斯坦進一步得出結論:質能的存在造成周圍時空的彎曲。

我們前面講過,數學家黎曼早在一八五四年就提出了作用力與空間彎曲的關係,並提出了重力場論。愛因斯坦利用黎曼的研究成果,用數學形式表達了他自己的物理學新發現,這就是廣義相對論(general relativity)。

讓我們再來追尋一下廣義相對論的推導過程:

光線以曲線前進+光線走兩點間最短時間路徑⇒空間是彎曲的⇒「質-能」造成「時-空」彎曲⇒力學=幾何學

愛因斯坦的偉大,止步於他的第三次嘗試。

在狹義和廣義相對論之後,他終其一生研究統一場論(unifiedfield theory ),簡單說,就是試圖尋找一個公式,能夠同時描述光與重力。可惜,他最終沒有成功。

對這一問題給出答案的,是Theodor Kaluza和Oskar Klein兩位科學家,他們的理論我們稱之為「克魯查-克萊因理論」,簡單說,這個理論就是:在五維空間裡,將光與重力的理論統一了起來。

可是,第五維到底在哪裡?克魯查說:第五維已經崩解成一個圓圈,它的體積實在太小了,連原子都裝不下,因而也無法測量。一九二六年,克萊因甚至計算出第五維的尺寸只有10E-33公分(10的負33次方),而探測如此微小距離所需要的能量也就是是所謂普朗克能量(Planckenergy),相當於10E 20億電子伏特,百萬兆倍於質子蘊藏的能量。

克魯查-克萊因理論在當時並未收到廣泛關注和普遍認同,領一時風氣之先的是另一套全新的理論:量子力學(quantum mechanics)(碼了這麼多字,原子物理學家終於登場了!)

8

一九二五年,以薛丁格海森堡16(WernerHeisenberg)為代表的一組科學家,已經對原子運動給出了幾近完整的數學描述,我們稱之為量子力學。

STUD備註15:

薛丁格,即薛丁格,量子力學奠基人之一,發展了分子生物學。大家熟知的量子力學思維實驗「薛丁格的貓」就是他提出的。這個實驗試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題,巧妙地把微觀物質在人的意識參與觀測的情況下是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯繫起來,以此求證觀測介入時量子的存在形式。

STUD備註16:

維爾納•卡爾•海森堡,德國著名物理學家,量子力學的主要創始人,哥本哈根學派的代表人物,1932年諾貝爾物理學獎獲得者。量子力學是整個科學史上最重要的成就之一,他的《量子論的物理學基礎》是量子力學領域的一部經典著作。鑒於他的重要影響,在美國學者麥克•哈特所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》,海森堡名列第43位。

這是一套與黎曼、愛因斯坦學說迥異的解釋自然力的理論,它的主要理論觀點包括:

1、作用力是由於不連續的能量包交換而產生(也就是量子:quanta);

2、不同的作用力的產生來自於不同量子的交換;

3、我們永遠無法同時知道次原子粒子的速度及其位置;

這就是著名的海森堡測不準定理,這個聽起來不怎麼靠譜的定理,卻是半個世紀以來最經得起任何實驗挑戰的一個定理,至今,還沒有任何一個實驗結果違背了這一條定理。

所謂次原子粒子:就是比原子還要微小的粒子。海森堡測不準定律在哲學上的意義在於,它從物質構成的最底層,將所有事物的產生和構成,都解釋為機率的一個表現,而不是一個必然的結果!換句話說,就是沒有所謂客觀存在,也沒有所謂必然結果。這一條,徹底撼動了唯物主義的基石。

4、粒子有可能以有限機率進行穿隧或量子跳躍,並穿越不可浸透的障礙物。

聽起來各種不靠譜是嗎?但是!這個理論不僅反覆被實驗證明,而且人們甚至根據該理論製造出了隧道二極體(tunnel diode,或稱江崎二極體)。

量子力學以光子(也就是光的量子)為例,認為弱作用力和強作用力是源於能量量子的交換,並稱之為「楊-米場」,這是楊振寧和他的學生米爾斯於一九五四年發現的理論。

你造嗎?楊老師年輕的時候有多牛逼!

到一九七O年代,楊-米場已經可以解開所有核子物質的秘密,可以解釋有關於次原子粒子的任何實驗數據。

在解釋電子與光的交互作用時,其精確度達到千萬分之一,號稱是有史以來最精確的理論。

科學界對這個理論如此有信心,以至於稱之為「標準模型」(Standard Model)。

量子力學經過五十年的發展,成功地整合了四種自然作用力的三種:強作用力+弱作用力+電磁力。但是,包括楊振寧本人在內的許多科學家都認為,標準模型一定不是最終的大一統理論,主要原因是該模型並不包括重力!

歷史地看,可以這麼說:量子力學只是根據次原子粒子的部分外表特性做了整理,卻未對它們的來源做出任何說明。

9

統合量子理論和重力,以創造出一個「萬有理論」17(Theoryof Everything),這個問題挫折了二十世紀最聰明的心智,包括愛因斯坦、海森堡等等一眾科學界的巨擎和大腕,但均不可得。

STUD備註17:

萬有理論即愛因斯坦晚年追求的大統一理論或著說統一場論,是指在一個數學框架內包容已知的四種基本自然力,統一現代物理的兩大根基量子力學和相對論,以闡明自然界更深層次本質的物理理論,目前M理論是最有希望的萬有理論候選。

一九七六年,紐約州立大學石溪分校的三位物理學家寫下了超重力理論。簡單說,這個理論對黎曼的「度量張量」模型進行研究,幾乎實現了愛因斯坦統合已知作用力的夢想。

他們發現,在一個十一維的度量張量模型里,包含了自然界裡幾乎所有的粒子與作用力:愛因斯坦的重力理論、楊-米場與麥克斯韋爾場、還有夸克與輕子!

如圖所示:

(圖中的括弧,代表一個十一維的黎曼度量張量場。如果把它簡化成四維,就是愛因斯坦的重力場;提高它的維度數,我們就可以推導出麥克斯韋爾方程組和標準化模型;最終,在十一維度,統合了代表四種作用力的所有方程組。)

超重力理論雖然在模型上統合了四種作用力,但它的缺陷在於在很多關鍵節點上沒有具體量化的數學模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。

新的,也是最強大有力的物理學計劃已經登場,它就是:

超弦理論(Superstring Theory)

10

超弦,統合所有作用力和自然律

一九六八年,超弦理論被意外發現。

當時,兩位年輕的理論物理學家在歐洲核子研究中心(CERN)意外發現十九世紀數學家尤拉完成的尤拉貝塔函數(Euler betafuncation)竟然符合幾乎所有描述基本粒子強交互作用所需的全部特質。

超弦理論圖示

什麼是弦論呢?愛因斯坦在後半生中,一直在尋找統一場論,即一個能在單獨的包羅萬象的數學框架下描寫自然界所有力的理論。他渴望以前人從未成功達到過的清晰來揭示宇宙活動的奧秘,由此而展示的自然界的動人美麗和優雅。

如今,相當一部分物理學家相信他們終於發現了一個框架,有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體:

一個單一的理論,

一個能描述一切現象的理論,

這就是弦論。

它正在實現當年愛因斯坦滿懷熱情追求的統一理論的理想。

弦論可以用來描述引力和所有基本粒子。它的一個基本觀點就是自然界的基本單元, 如電子、光子、中微子和夸克等等, 看起來像粒子,實際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式,正如小提琴上的弦。

弦理論中的宇宙弦(我們把弦論中的弦稱作超弦,以免與普通的弦混淆)可以作某些模式的振動。每種振動模式都對應有特殊的共振頻率和波長。所有的基本粒子, 如電子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發態。

每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位,即普朗克長度(10E -33厘米)。弦實在是太細微了,從遠處觀察,我們實在無法區分它究竟是弦的共振還是粒子。只有當我們把粒子放大,我們才能看出那根本不是一個點狀粒子,而是一種振動弦。

按照超弦理論,粒子並非是宇宙的基本元素,物理定律就相當於琴弦的合音定律。弦論博大精深,可以解釋所有的自然基本定律。

簡言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海,那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產生, 也不斷在湮滅。我們現實的物質世界, 其實是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂 !

甚至包含生命複雜信息和編碼的去氧核糖核酸(DNA)分子,也是類似弦的結構。弦,是能夠儲存大量數據的最精簡的方式之一。

超弦理論,以及在其基礎上發展起來的弦場理論,統合了所有的自然律和作用力,菲爾茲獎章(諾貝爾獎沒有設立數學獎,菲爾茲是數學界的最高獎項)獲得者維藤說:「所有物理學上的偉大思想,都是超弦理論的副產品。」

11

羅摩奴詹,確立十維宇宙

超弦理論似乎包含了所有的物理學知識,極其廣博精深。許多科學家認為,這是二十一世紀的物理學,意外落入二十世紀,但是人類還沒有發明二十一世紀的數學,來精確描述它。

有一個重大秘密:我們只能在二十六維與十維中定義弦論,否則就無法用弦論整合已知的物理定律。解開這個秘密的,是堪比當年黎曼的另一位數學天才羅摩奴詹(Srinivasa Ramanujan)(也譯做拉馬努金)。

羅摩奴詹

羅摩奴詹一八八七年出生於印度,少時坎坷,甚至沒有通過升高三的考試。二十六歲那年,他給著名數學家哈代寫了一封信,信中包含了一百二十個定理。這位貧窮孤立的印度哥們,完全不知道歐洲數學界的任何研究資訊,純粹憑個人才智、按照自己的方法,重新推導出歐洲百年數學史的所有重要定律。

羅摩奴詹的研究成果包含了三冊四百多頁的筆記,其中包含了四千多個公式。後人在此基礎上總結出了18(Ramanujan funcation),這是一個奇特的包含了高達二十四次乘冪的數學式。

這些數學式證明:弦論只有在十維中才是自洽的。

也就是說,產生我們現存宇宙的那個高維度宇宙,它的維度數一定是十!(1994年開始了弦論的第二次革命。此後誕生的「M理論」被認為是最新的大一統理論模型,M理論認為:歷史上五種不同的弦論在本質上被證明是等價的,它們可以從11維時空的M理論導出。)

STUD備註18:

1920年,拉馬努金在臨終前給他的導師——英國數學家G.

H。哈代寫了一封信,概述幾個此前從未聽說過的新數學函數。他自稱在夢中想出這些函數,對它們的特性存在強烈的直覺。幾十年後,美國研究人員證明了拉馬努金所提出數學函數的正確性,可用於解釋黑洞的行為。美國埃默里大學數學家肯-小野表示:「我們破解了他最後幾封神秘信件中的問題。對於數學領域的研究人員來說,這個問題存在了90多年。」

羅摩奴詹相關函數

羅摩奴詹基本等於神的一切

寫到這兒,這一段物理詩史基本可以告一段落。從黎曼、愛因斯坦的重力場,到量子力學,到超重力論,到超弦理論,到M理論,人類歷史上這些偉大的智慧頭腦,前赴後繼探尋宇宙的真理,已經為我們描述了宇宙誕生的全過程,也就是開始於10E-34秒的創世時間表。

讓我們一起看看,弦論以降,科學到底是怎樣解釋我們所存在的這個宇宙的:

12

一、宇宙的誕生

正如我們之前所介紹的那樣,創世的剎那,開始於「大爆炸」BigBang,自10E-34秒開始,歷經150億年形成我們今天的宇宙。

宇宙「大爆炸」的實驗證據主要有以下四點:

1、經由測量恆星光線的扭曲的現象,一再證實恆星正以高速遠離我們而去,而且,離我們越遠的恆星或星系,會以越高的速度遠離我們而去;

2、「大爆炸」理論預測宇宙中氦與氫的比例應該接近25% : 75%,實際測量數據與該預測高度吻合;

3、通過對放射性物質衰變的測量,我們可以為地球上的岩石和隕石斷年,目前沒有發現任何物體可以追溯到「大爆炸」之前;

4、「大爆炸」產生了宇宙回音,這種微波輻射至今仍在宇宙迴響,一九六五年,人類偵測到了這個19(microwave backgroundradiation)。

宇宙背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性或者黑體形式和各向異性的微波輻射,也稱為微波背景輻射,特徵是和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同,頻率屬於微波範圍。

宇宙微波背景輻射產生於大爆炸後的三十萬年。大爆炸宇宙學說認為,發生大爆炸時,宇宙的溫度是極高的,之後慢慢降溫,到現在(約150億年後)大約還殘留著3K左右的熱輻射。

二、宇宙的滅亡

我們先看看每顆恆星的生命歷程:

恆星由大量氫氣聚合形成,氫元素融合形成氦,由於氫質子的重量超過氦質子的重量,因此氫聚合成氦時就會有多餘的質量,這些質量依據愛因斯坦的質-能公式E=mc²成為能量,這個能量將原子核束縛在一起,並將部分能量釋放出來,使太陽發光發熱。

之後,經過數十億年光陰,氫氣逐漸耗盡,核熔爐逐漸熄滅,重力成為優勢作用力使恆星兩次塌陷,恆星溫度此時會急劇升高,成為「紅巨星」,再然後成為「白矮星」爆炸成為「超新星」和「中子星」,中子星由於重力繼續塌陷,最後成為「黑洞」。

宇宙的滅亡

STUD備註20:

白矮星超越錢德拉塞卡極限會爆炸。

Chandrasekhar limit 錢德拉塞卡極限指白矮星的最高質量,約為(3× 10的30次方)公斤,是太陽質量的1.44倍。這個極限是由錢德拉塞卡計算出的。

在1935年皇家天文學會的會議上,24歲的錢德拉•塞卡終於得到宣讀自己論文的機會。在當時,恆星的白矮星階段被認為是一切恆星演化過程的最終階段。但是錢德拉塞卡的計算表明,當恆星質量超過某一上限時,它的最終歸宿將不會是白矮星。

當錢德拉塞卡在會上宣讀完自己的論文後,當時天體物理學界的權威愛丁頓走上講台。他當眾把錢德拉塞卡的講稿撕成兩半,宣稱其理論全盤皆錯,原因是它得出了一個「非常古怪的結論」。聽眾頓時爆發出笑聲。會議主席甚至沒有給這位年輕人答辯的機會。

與愛丁頓的爭論持續了幾年,沒有一個權威科學家願意站出來支持錢德拉塞卡。最後,他終於明白應該完全放棄這個研究課題。在1937年到了芝加哥大學以後不久,他把自己的理論寫進了一本書里,然後不再去理會它。

差不多30年後,這個後來被稱為「錢德拉塞卡極限」的發現得到了天體物理學界的公認。然後又過了20年,錢德拉塞卡獲得了諾貝爾獎。1983年,當他從瑞典國王手中接過諾貝爾獎章時,已是兩鬢斑白的垂垂老者。

在這一歷程中,恆星內部的元素按照「結合能量曲線「依次變化。

恆星中的氫元素按照這個曲線一再融合成為更重元素之後便會到達鐵,而無法再製造出額外的能量,這時,恆星崩潰並釋放出大量熱量,超新星於焉誕生,這種劇烈爆炸將星體炸碎並將殘骸遍灑星際空間,成為孕育新恆星的種子。

在描述完恆星的生命周期後,我們再看看包含無數顆恆星並見證無數次恆星生滅的宇宙本身,它將何去何從?

根據愛因斯坦的廣義相對論,宇宙的結局無限悲泣。要麼,就是不斷膨脹,直到溫度接近絕對零度;要麼,就是大崩墜,收縮成一團火球。如果宇宙是一個無限邊界的開放宇宙,它就會被「冰」毀滅;如果宇宙是一個有邊界的封閉宇宙,它就會被火毀滅。

物理學家通過平均密度來判斷宇宙到底是不斷膨脹還是會逆轉走向大崩墜,如果宇宙平均密度小於10E-29 克/立方公分,宇宙就會不斷膨脹,否則,將會陷入大崩墜。

量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景,那就是質子和中子衰變。根據大一統理論,我們所知道的一切物質,包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。

13

問題是:產生宇宙大爆炸之前是什麼?

在了解了恆星乃至整個宇宙的生命歷程之後,必須要回答的問題是:在這個剎那之前吶?

是否有那個第一推動力?

或者說,

是否有那個點燃Big Bang的上帝存在吶?

數百年來,伴隨著科學發現的不斷積累,宗教界關於上帝存在的堅持已經退守到這樣一個境地,那就是說:大霹靂之前到底發生了什麼?牛頓生前並沒有能夠解答這個關於「第一推動」的問題,他把它歸功於「上帝之手」。

但事實上,以超弦理論為集大成者,今天的科學家群體,不僅給出了BigBang創世之後的宇宙發展歷程(包括宇宙消亡的歷程),同時也給出了Big Bang之前的宇宙存在的假說,那就是關於平行宇宙、黑洞、蟲洞等相關理論。

這些理論在解答了「第一推動」這個疑問的同時,再次撼動了上帝存在的證明。

昔日尼采有言「上帝已死」,現在霍金在《大設計》第一頁上就宣稱「哲學已死」,因為「哲學跟不上科學,特別是物理學現代發展的步伐」。這是一個極為傲慢的「宣言」。他的意思是,世界本源本來應該是所有哲學流派的終極思考,而現在科學界已經給出了世界本源和宇宙發展的全部解釋,所以,哲學的使命已經終結了。

的確!「唯物」、「唯心」,甚至「客觀存在」,都已經被量子理論、超弦理論徹底動搖!

與此同時,上帝也被霍金「掃地出門」,他在《大設計》末尾宣稱:因為存在像引力這樣的法則,所以宇宙能夠「無中生有」,自發生成可以解釋宇宙為什麼存在,我們為什麼存在。所以「不必祈求上帝去點燃導火索使宇宙運行」。也就是說,上帝現在不再是必要的了。(請參看霍金《哲學已死》,朱清時《物理學步入禪境:緣起性空》)

14

平行宇宙(parallel universes)是指多元宇宙中所包含的各個宇宙。多元宇宙是一個理論上的無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:所有的空間、時間、物質、能量以及描述它們的物理法則和物理常數。

物理學家休•埃弗雷特提出了自己對量子測量問題的想法。他指出,在量子力學中,存在多個平行的世界,在每個世界中,每次量子力學測量的結果各自不同,因此不同的歷史發生在不同的平行宇宙中。

黑洞是使霍金名滿天下的研究,在那之後,他創立了量子宇宙學(quantumcosmology),以愛因斯坦的古典宇宙學為出發點,再將整個宇宙量子化,試圖完成那個前輩物理學家的未竟事業「統一場論」,統合小到夸克、大到銀河星際甚至整個宇宙的所有自然律。事實上,霍金的理論甚至遠遠超出了我們的宇宙!

他的新構想是將整個宇宙看成一個量子粒子,用宇宙波函數來描述多重宇宙(不止一個,是無數個宇宙)的無窮集合。按照霍金的理論,我們的宇宙,只是無數的平行宇宙之一,每個宇宙都透過複雜的蟲洞系統與其他宇宙相連結。

如果霍金說的沒錯,世上就存在著無數的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常數,大多數宇宙都是一片死寂,不具備孕育生命的物理定律。但是在某一個宇宙中,它的物理定律恰好符合生命的條件,這就是我們的宇宙。

如果這種理論屬實,我們就不必把生命的起源歸諸於上帝。

15

宇宙航行 & 遁入高維度宇宙

前文說過,太陽系乃至這個宇宙,終究難逃消亡的命運。那麼,智慧生物是否作為宇宙的一部分因而最終難逃滅亡的宿命吶?

我們的希望,就在十維宇宙和超弦理論!

按照超弦理論,我們的宇宙誕生於一個十維宇宙,由於這個十維宇宙的結構不穩定,在「大爆炸」時分解為一個四維宇宙(我們現在的宇宙)和一個六維宇宙。四維急劇膨脹,歷經150億年形成了我們今天的宇宙;而六維宇宙則急劇收縮成為一個10E-32公分的微小世界。

這個六維宇宙在哪裡?它就在我們的周圍!只是因為它太微小以至於無法觀測得到。假如,我們能夠觀測的話,它會是什麼樣子吶?這是近幾十年內大量數學家、物理學家研究的課題。其中,以華裔科學家丘成桐22命名的卡拉比-丘流形是比較得到認可的一個答案。

STUD備註22:

丘成桐,美籍華人,哈佛大學終身教授,國際知名數學家。丘成桐證明了卡拉比猜想,以他的名字命名的卡拉比-丘流形,是物理學中弦理論的基本概念,對微分幾何和數學物理的發展做出了重要貢獻。

卡拉比-丘流形3D模型

上圖是一個六維卡拉比-丘流形的二維截面圖。也是說,該圖相當於是一個六維空間的「影子」。

卡拉比-丘流形動態模型

接著說,當我們的四維宇宙崩潰時,與大爆炸那一刻相反,原本收縮的那個六維宇宙開始慢慢展開,智慧生物有機會在這一個瞬間,由四維宇宙逃入六維宇宙,獲得新生!

這一個過程,需要我們掌握更強大的力和能量,才能駕控宇宙,獲得新生。舉例說:那時我們需要極高速的宇宙飛船,但根據狹義相對論我們知道我們永遠不可能達到光速,那麼我們怎麼跨越動輒以光年計數的漫漫長路吶?

不違反愛因斯坦的自然律而又能夠實現可能的時空跨越的方法,就是人為把23

STUD備註23:

愛因斯坦指出物體使周圍空間、時間彎曲,在物體具有很大的相對質量(例如一顆恆星)時,這種彎曲可使從它旁邊經過的任何其它事物,即使是光線,也改變路徑。廣義相對論指出,時空曲率將產生引力。當光線經過一些大質量的天體時,它的路線是彎曲的,這源於它沿著大質量物體所形成的時空曲率。

彎曲時空里的五個速度

打一個容易理解的比方,就好比在地毯的另一邊有一個瓶子,我們不需要走到地毯的那一邊去拿到它,我們可以坐在原地,把地毯逐漸拉向我們,通過使地毯逐漸捲曲,來拉近我們和瓶子的距離,以這樣的方法最終拿到瓶子。

這就是不需要跨越距離,但是卻可以從一點到達另一點的方法:彎曲時空。而彎曲時空所需要的能量,是我們現在所掌握能量的一千億倍。這就是統合自然力的目的所在。

前文說到,量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景,那就是質子和中子衰變。根據大一統理論,我們所知道的一切物質,包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。

那時,智慧生物就需要用新的質子和中子合成新的原子核。這同樣需要巨大的能量,和彎曲時空所需要的數量級相當。這也是統合自然力的意義所在。

結語

我們讚美數百多年來科學進步過程中的這些先驅,是他們智慧的心智,讓我們人類只憑藉頭腦和一些工具,就可以計算出支配數十億光年外的物質的定律,我們只有微不足道的能源,甚至還沒有離開太陽系,但我們已經知道恆星深處的核子反應或原子核內的情況。

我們在這個不起眼的小行星上發現的物理定律,卻適用於宇宙的各個角落,我們的思想能了解並控制星星的宇宙法則,我們體內的原子原是某個恆星的核融合反應的產物,我們的原子比山的年代還久遠,我們是由宇宙塵造成的,這些原子又凝聚成能了解宇宙法則的智慧生物。

讓我們以霍金的一段話作為結語:

「如果我們真能發現一個完全的理論,

如果我們能討論出答案,

這將是人類理智的最大成就-

屆時我們就能知道上帝的想法了。」


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