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1、科学史本文素材主要摘录自加来道雄的Hypersapce和丘成桐的The Shape of Inner Space。作者希望凭籍本文,回顾一下两百年来的科学史,看看那些代表着人类最高心智的数学家、物理学家们前仆后继探究宇宙本源的奇妙历程,并向他们致以最崇高的敬意!这是一部壮丽的物理史诗,这是一串光耀后世的姓名。他 们 是:牛 顿,高 斯,黎 曼,麦克斯韦尔,爱因斯坦,杨 振 宁,罗摩奴詹,霍 金,维藤(且 慢,最近十 年,我们只能在娱乐版看到的杨老师,居然可以和那些大师比肩吗?可 以 的!以杨老师和他的学生命名的杨-米 场,即所谓标准模型,成功地解释、整合了四种自然力中的三种。)那 么,这些智慧
2、的头脑到底有多智慧?我们普遍接受这样一个结论,即我们现存的这个宇宙起源于一次大爆炸,英文叫做Big Bang!但 是,原子物理学家绝不可以止步在如此初级的常识上。他会告诉你,创世的刹那,是如下的演化阶段:话 说:一 切,开 始 于10-3秒(10的负43次 方 秒,也称为普朗克时间,人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/so请注意了,这是一个定义值,而不是一个测量值。言归正传,创世的刹那:1.创世时间表#10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩 成10E-3 2公尺。四维宇宙(
3、我们今天所在的宇 宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次 方)度;#10E-35秒,大一统作用力崩解;#10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;#10E-3秒,夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;#3分 钟,质子与中子开始凝聚成稳定的原子核;#30万 年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;#30亿 年,第一个似星体(quasar)出现;#50亿 年,第一个星系出现;#100150亿 年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。这个时间表,是哪位大神写的科幻小说吧?NO!这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。的 确,
4、表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值,没有任何一个是可以直接测量的,因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。但 是,人类的心智却做到了。这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算,都有一群知名或者不知名的物理学家和数学家,他们是我们人类最智慧的大脑。回到时间表的第一个事件,“十维宇宙分裂、这就是我们今天的主题了:超维度空间。让我们一起看看,两 百 年 来,科学家们是如何探究世界的本源的。让我们先厘清一个重2.维度和多维宇宙一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所 以,我们把直线或曲线叫做:一维 空 间;一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右
5、移动,所 以,我们把平面或曲面叫做:二维 空 间;一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动,所 以,我们的空间叫做是:三维空间;(加上时间一维,我们的世界是四维的,合称时空。在这个时空中你要准确标定一个点,需要四个数字,比 如:淮海路、马当路交 界,二 楼,下午四点。)依此类推,如 果,有人告诉你,多维空间(四维以上)的 人,看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然,就像我们看着二维平面上的圆圈一样,你会不会大惑不解、无法想象、或者毛骨悚然?当 然,对于 艮见为凭 来说,这其实涉入了一个哲学难题。如果眼见才是真实的,那么高维度的对象就不是真实的。但从另一个角度来看,人不过是动物中的一种,阿米
6、巴扁平虫只能感知二维的世界,我们如何证明我们所能感知的所谓,真实,岂不是也受限于我们自己的认知条件?必须承认的事实是:人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的,因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它,垂直,的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法,十维空间是宇宙这座大琴的音箱,拨动这些弦造成不同的音高与音色,于是产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。(最新的M理 论,有别于超弦理
7、论,认为宇宙是从十一维开始演进的。)3.只有四种自然力两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:1、电磁力(electromagneticforce):包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电 荷(磁 级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长 程 力,在四种力中第2强。2、强核力(strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由兀介子传递)0在有效距离内,距 离 越 大,力约大。短 程 力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。3、
8、弱核力(weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成(3衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传 递,较 弱,短 程 力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。4、重力(gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长 程 力,在四种力中最弱。4.为何要统一自然力?一旦人类将所有的作用力整合成一个超作用力,这时会有什么突破。关于这一点,物理学家Paul Davies写 到:“我们能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序。控制超作用力后,我们便能任意地组合与改变粒子,制造出
9、前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数,制造出具有不可思议属性的人工世界。我们将成为宇宙的主宰。”回看一下人类掌握“力”的 历 史:人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%时 间 里,人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力;十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力;牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百 马 力;麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等发明家,人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,极大地改变了人们的生活。爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代,人类
10、掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。历史地看,每当人类控制一项自然力,都能大幅提升人类所能掌握的能量,让整个社会改头换面。(那 么,未来的人类需要多大的能量?10E 20亿电子伏特起步,超过了现在的一千亿倍。否 则,我们将无法使空间弯曲,解决航行到遥远星际的难题;或 者,在宇宙崩溃的瞬间,有足够的能量打开六维宇宙,逃离灭亡的劫难。)下 面,就让我们按照时间顺序,回顾一下人类整合四种自然力的历程:(本文虽然涉及诸多专有词汇,但我们尽量直白描述。理解这些前辈的伟大思想其实不难,并不需要多少艰深的专业知识,只 要:一点常识+一点逻辑+一点耐心。)第一个走进这段物理史诗的,是一位数学家:黎
11、曼。5.黎曼,支撑爱因斯坦的巨人牛顿曾经说:“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上”。按照牛顿的这种说法,黎曼毫无疑问正是支撑起爱因斯坦的那个巨人。一八五四年六月十日,一套新的几何学诞生了。黎曼在德国哥廷根大学发表了著名的演说,彻底撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。黎曼是位数学奇才,高中时期只用区区六天时间完全吸收了 数论(Theory of Number),那是一部八百五十九页的艰涩巨著。黎曼挑战希腊几何学,认为纵然欧几里德的数学运算极为精确,它的根基却只是常识与直觉的流沙,而不是扎实的逻辑推演结果。比 如,欧式几何说三角形三个内角之和等于一百八十度,但这个看似简单
12、的问题,在数学史上却从来没有被严密证明过!而 且,假如我们身处弯曲表面的世界,这个公式就不成立了。(行 文至 此,我们必须向欧几里德先生表达诚挚的敬意!每次想到他老人家两千多年前写就的 几何原本至今仍然是全世界的中学课本,我就不寒而栗!那些至今未被严密证明过的公理,一个生活于公元前300年的希腊人是如何发现的呐?如果这个世界有“神迹”,欧先生当之无愧是其中之一!)说回到黎曼,他的研究领域甚至延伸到电学,他认为电力与磁力实际上是同一种作用力的不同表象。据此他发展出作用力新解,作出了牛顿两百年以降的首次划时代重大突破,彻底推翻了牛顿的超距作用原则,他 认 为:作用力源自于几何学,作用力只是由于几何
13、结构扭曲所造成的必然现象。(牛顿以降,科学界认为作用力是一种两个遥距物体的即时交互作用,一个物体可以即时影响间隔一段距离的其他物体的运动。我们总结一下黎曼的伟大之处:1、他以多维空间理论筒化了所有自然作用力;认为电力与磁力和重力一样,只是高维空间鸾曲产生的结果。2、他提出了虫洞(warmholes)的概念,黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。3、他以“场”来描述重力,以“度融张(Riemann metric tensor)描述空间里每一个点的重力场。(所谓“度张”,其实就是一组数字,类似坐标。)黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用
14、力,这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。6.狭义相对论,光速恒定=E =mc2我们赞美阳光!它不仅孕育了的生命,同时也照亮了人类的思想。爱因斯坦,是那个御光飞行、穿越时空的人。爱因斯坦小时候,常以简单问题自问自答:“如果你追上一束光线,它看起来是什么样子?你会不会看到一束静止的光波,冻结在时间中?”这个 问题,让他在后五十年里,带领人类走进了时空神秘之旅。十六岁时,爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时,他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他,用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论(special relativity)。用一句话概括狭义相对论,那
15、 就 是:光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼,但确是人类心灵的最伟大成就之一!爱因斯坦指出,无论我们怎样加速,无论我们自身的速度如何,人们所能测量的光速是一样的。对于这一结论,爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释,他 认 为:导致这个结果的原因是:时间变慢了!(这是石破天惊的一句)也就是 说,我们移动的越快,我们的时钟就走得越慢,我们的量尺也越短,所 以,我们测量的光速是不变的。爱因斯坦进一步思考:那 么,几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量,既然时间和量尺都是变化的,所以我们必须校正所有的物理量(quantity),于是他导出了下一个重大的结论:质量是从能量来的。这 个 结
16、论,一 举 推 翻 了 十 九 世 纪 的 两 大 物 理 发 现:质 量 守 恒 和 能 量 守 恒。自 此 以 后,质 量 与 能 量 被 视 为 单 一 单 位:质-能(matter-energy)。二 十 六 岁 的 爱 因 斯 坦 同 时 给 出 了 质 能 变 动 的 方 程 式,那 就 是 著 名 的E=mc2o让 我 们 再 来 追 寻 一 下 狭 义 相 对 论 的 推 导 过 程:光 速 恒 定=时 间 变 慢,质 量 不 恒 定=质 量-能 量”相 互 转 换=E=me?侠 义 相 对 论,统 一 了“时-空”,也 统 一 了“质-能”。统一了,时一空,以及,质一能,之 后 的 爱 因 斯 坦,进 一 步 思 考“时空”与“质 能”之 间 的 关 系,也 就 是 狭 义 相 对 论 所 忽 略 的 加 速 度,还有重力O这 导 致 了 他 的 下 一 个 巨 大 成 就:广 义 相 对 论。7.广义相对论,空间是鸾曲的今力学=几何学再 次,爱因斯坦由一个简单问题开始:“如果一个人处于自由落体状态,他就不会感觉到自己的体重?”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本