七升八衔接-物理拓展-科学史

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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