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量子力学23:世界背后的原形,原形是什么?(完)

2021-06-04 09:57分类:训鹿医美 阅读:

量子力学的故事吾们已经讲完了,但是当代物理学的故事,吾们才说了一点点。剩下的内容一言难尽,有稀奇了不首的收获,但是终局有点让人无语。物理学是最革命的科学,物理学家专门喜欢颠倒乾坤的思维。这末了一讲,咱们说说今天的物理学被物理学家折腾成了什么样子。

科学形而上学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)有个概念叫“范式迁移(paradigm shift)”,有趣是科学史上,未必候几乎所有科学家,会一首来一次基本不悦目念的转折。比如牛顿认为光是粒子,别的科学家也都跟着把光当做粒子;后来麦克斯韦表明光是电磁波,所有科学家就都把光当做波来钻研;量子力学出来,行家又都认同了“光子”的存在。范式迁移不是转瞬的,但是它是整个“科学共同体”的巨变。

到 1930 年代,量子力学的基本理论就已经齐全了,此后主流物理学家就不再钻研量子力学。那他们钻研什么去了呢?物理学又发生了什么范式迁移呢?

答案是……吾望现在已经不及叫范式迁移了。现在是每个物理学家都梦想本身弄个十足纷歧样的说法,然后你们都跟着吾迁移 —— 现在有许众新范式,但是谁也不清新该不答迁移。

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咱们从物理学的四栽“相互作用”说首。这已经是一个范式迁移,由于以前行家都把引力、电磁力这些叫做“力(force)”。“力”这个说法有点土气,力的场景是吾用力推你一下,你就会去吾的力的倾向行动,这个太浅易。物理学家发现力跟行动的有关能够很复杂,叫“相互作用(interaction)”更正当。

前两个是吾们熟识的引力和电磁相互作用。它们描写了原子核之外、吾们平时生活所能接触到的所有行动。化学家、生物学家、火箭科学家……除了物理学家之外各走各业所有的行家,会算一个引力会算一个电磁相互作用就够了。但是物理学家负责注释这个世界,就必须想的更深。

吾们想想原子核。原子核是由不带电的中子和带正电的质子构成的,那这些质子们荟萃在一个那么小的地方,它们的正电答该让它们互相排斥才对啊?是什么力量,把质子和中子们给拉住,不让它们散开呢?

这就是第三栽相互作用,叫“强相互作用”。1964 年,默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)和乔治·茨威格(George Zweig)挑出,并且后来被实验验证,质子和中子都不是最基本的粒子,它们都是由“夸克”构成的。夸克有六栽类型,叫做六个“味道”,别离是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、底夸克和顶夸克。比如质子是两个上夸克和一个下夸克构成的,中子是两个下夸克和一个上夸克构成的。

夸克的每个味道又有红、绿、蓝三栽“颜色”。自然不是真实的颜色,夸克的颜色就相通电子和质子的电荷相通,代外它们对强相互作用的受力手段。质子和中子各自的三个夸克由强相互作用被绑定在一首,绑益之后还有余了一点强相互作用,又把质子和中子们绑在一首。描写强相互作用的理论,叫做“量子色动力学”。

原子核里还有一个过程,一路先叫“β衰变”,是强相互作用也注释不了的。未必候原子核正本益益的,骤然从内部开释出来一个电子和一个中微子,效果是其中的一个中子变成了质子!

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1932 年,意大利物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)断定β衰变是第四栽相互作用导致的,称为“弱相互作用”。现在吾们清新 β衰变其实是一个夸克变成了另一个夸克。包括夸克和电子在内,所有的费米子 —— 也就是自旋是 1/2 云云半整数的基本粒子 —— 都会受到弱相互作用的影响。中微子也参与、而且只参与弱相互作用,这就是为什么中微子这么难以探测。

于是你望,相互作用不光能影响粒子的行动,而且能让一个粒子变成另一个粒子,这比吾们印象中的“力”是不是高级众了。那说到这边,这些相互作用到底是怎么发生的呢?两个粒子之间是用什么手段互相影响的呢?

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牛顿是把引力当成了一栽超距作用,不管距离众远,只要那有个星体,你就能感受到它的引力,引力相通能够隔空传输。到了麦克斯韦和喜欢因斯坦这边,超距作用就太荒唐了,行家仔细想想,必须得跟一个什么东西发生接触,你才能感受到力,不然你这个感受是如何传递的呢?那一代物理学家发清新“场”这个概念。

场是一栽弥漫在空间中,必定周围之内无处不在的东西。电磁力有电磁场,电磁波就是电磁场的震动。引力有引力场,按照广义相对论,那就是时空本身的曲曲。不是两个带电粒子直接发生有关,而是它们各自跟此地由于它们的存在而存在的谁人电磁场发生有关。

场这个概念专门完善……但是量子力学展现了。量子力学认为电磁场根本不是一个不息的东西,而是一个一个的“光子”。那在光子这个视角之下,电磁相互作用是个什么图像呢?

这就是融相符了量子力学和狭义相对论的“量子电动力学”。量子电动力学认为,两个带电粒子之间,是经由过程交换光子来发生相互作用的。

这个图像很有有趣,吾给你打个比方 [1]。想象咱俩在一个绝对平滑的冰球场里各自行动。地面太滑了吾们不及借力,只能惯性进展,眼望就要互相撞上了。但是吾手里抱着一个很重很重的切糕,吾骤然把切糕扔给了你!由于切糕的逆作用力,吾的路线获得了偏转。而你接住了切糕,由于你接收了切糕的冲力,于是你的路线也偏转了。一个站在遥远的人要是望不见谁人切糕,还以为是咱俩发生了碰撞。

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咱俩就是两个带电粒子,切糕就是光子,这就是电磁相互作用。实际过程复杂得众,能够吾们不光交换了一个光子,能够你还会先发出、再接收一个本身的光子,所有这些情况形成量子叠添态,能够用费曼图外示,要做一个很麻烦的计算。

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那既然电磁相互作用是交换光子,别的相互作用会不会也是交换什么东西呢?这就引出了“量子场论(Quantum Field Theory)”。量子场论认为所有相互作用的场,都是以某栽粒子的形式存在的,相互作用就是交换这栽粒子。杨振宁师长用“杨-米尔斯理论”为量子场论做出了关键贡献。

量子场论认为强相互作用是夸克之间经由过程交换“胶子”的实现的,弱相互作用则是交换了三栽粒子,叫做 Z0, W+ 和 W-。你望这个“交换粒子”的图像是不是比牛顿谁人超距作用,比麦克斯韦的谁人场都要益,它不清清晰了“力”到底是什么东西,而且既然都是由粒子传播的,力的传输速度自然就不及超过光速。

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夸克和胶子

但物理学家的野心不止于此,他们还想把这总共都联相符首来。

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所谓“联相符”,就是以前你觉得这是两个十足分别的东西,而现在有个理论,发现它们在更高的层面上其实是联相符栽东西。比如前人认为人和暗猩猩专门纷歧样,现在吾们清新秀和暗猩猩有 98% 以上的基因都是相通的:在基因这个层面上,吾们同源同栽。量子电动力学把量子力学、电动力学和狭义相对论联相符首来了,能够说是联相符个理论。1968 年,阿卜杜勒·萨拉姆( Abdus Salam)、谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)和史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)把弱相互作用和电磁相互作用联相符首来了,称为“电弱联相符理论”。

正本量子场论认为传递弱相互作用的那三个粒子也跟光子、胶子相通是异国质量的,但是实验效果剧烈声援它们有质量,那这是怎么回事儿呢?后来是英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)挑出了一个机制,说宇宙空间中弥漫着另外一个场,这个场不光授予了 Z0, W+ 和 W- 粒子质量,而且授予了电子之类的“轻子”和夸克质量。那按照量子场论,有场就得有粒子,这个粒子就被称为“希格斯玻色子”。

到上世纪七十年代,强相互作用、希格斯机制这些都被联相符进来,形成了一个一统三栽相互作用的大理论,这就是“标准模型(Standard Model)”。

在标准模型眼中,世界上所有的粒子只有三栽:一栽是“感受”相互作用的粒子,包括夸克和电子之类的轻子,它们都是费米子;一栽是传递相互作用的粒子,包括光子、胶子、Z0, W+ 和 W-,它们都是自旋是整数的“玻色子”;外添一个希格斯玻色子。

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吾们想想,面对这么一个模型,理论物理学家得有众自夸。除了电子是实验先发现的之外,其他的基本粒子全都是理论物理学家先用数学方程展望有这么一个东西,然后实验中就真的不悦目测到了这么一个东西。而做成这总共也许只用了二十众年。

这个世界的暗号就在标准模型里!……但是且慢,那引力呢?

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吾们要不要把引力场也来个量子化,表明引力是由“引力子”传播的?从上世纪七十年代到现在,四五十年以来,有上千个物理学家殚精竭虑就想做这一件事儿。他们想把标准模型和广义相对论联相符首来。广义相对论是个确定性的理论,标准模型是个量子理论,它们能联相符吗?

新一代理论物理学家的思维比玻尔开明,他们的精神比泡利强势,他们中的有些先天人物在比海森堡更年轻的时候最先参与物理钻研,他们会的数学远远超过狄拉克 —— 但是他们再也异国得到过上一代人益似轻盈就能得到的荣誉。

1964 年,包括希格斯本人在内的六个物理学家发外了三篇论文,同时预言了希格斯玻色子的存在。特出的理论家如此之众,以至于后来诺贝尔奖都不清新该发给谁。2012 年,大型强子对撞机终于找到了希格斯玻色子 —— 而这也能够是理论物理学家的预言末了一次被实验证实。

那以前这四五十年,理论物理学家做出了什么呢?做出了比如说“弦理论(String Theory)”。由于要联相符广义相对论和标准模型必须进入“普朗克长度”那么小的尺度,两个粒子在这个尺度上碰撞会形成无穷大的“奇点”,物理学家想了一个新范式。这个范式认为基本粒子不是点状的东西,而是一个个蜷曲首来的“弦”或者“膜”。

弦理论涉及高维空间和极其复杂的数学,这对理论物理学家都不算什么,难处在于,弦理论不止有一栽。人们曾经一度找到五栽分别的弦理论,后来在 1994 年,行家认识到它们其实是联相符栽理论,称为“M理论(M-Theory)”。但你很难说 M 理论就是最后能一统江湖的谁人最终理论,由于 M理论预言的世界,不止有吾们这一个。

M 理论认为宇宙有无穷众栽能够性,吾们只不过是幸运地生活在其中一个比较正当生命存在的能够性中而已。自然云云的理论也不及说偏差,可是你怎么表明呢?总共皆有能够?这跟量子力学的众世界注释不是差不众吗?这照样科学吗?

M 理论之外,理论物理学家还弄了一些别的、能够相挑并论的理论,比如“圈量子重力论(loop quantum gravity)”。这些理论跟 M 理论实在能对吾们这个世界做出一些纷歧样预言,可是有人推想,要想验证那些预言,你必要建造一个像太阳系那么大的添速器才走,由于涉及的能量太高了。

物理学正本是个首源于实验、用实验做最后判定的科学。可是现在最新的物理理论已经跟实验说不上话了,那这照样物理学吗?

量子力学吾们就讲到这边。1900 年的两朵乌云让吾们认识到这个世界背后能够有个诡秘的原形,现在 120 年以前了,吾们照样异国找到末了的原形。吾们不清新大自然还允不批准吾们不息追求原形……吾们甚至都不清新,世界背后到底是有一个原形,照样有众数个原形。

(The End)

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划重点

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注解

[1] 这个比喻后面图片来自 Mark Humphrey, Paul Pancella and Nora Berrah, Idiot’s Guides - Quantum Physics 一书。

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