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    量子力學23:世界背后的原形,原形是什么?(完)

    2021-06-04 09:57分類:訓鹿醫美 閱讀:

    量子力學的故事吾們已經講完了,但是當代物理學的故事,吾們才說了一點點。剩下的內容一言難盡,有稀奇了不首的收獲,但是終局有點讓人無語。物理學是最革命的科學,物理學家專門喜歡顛倒乾坤的思維。這末了一講,咱們說說今天的物理學被物理學家折騰成了什么樣子。

    科學形而上學家托馬斯·庫恩(Thomas Kuhn)有個概念叫“范式遷移(paradigm shift)”,有趣是科學史上,未必候幾乎所有科學家,會一首來一次基本不悅目念的轉折。比如牛頓認為光是粒子,別的科學家也都跟著把光當做粒子;后來麥克斯韋表明光是電磁波,所有科學家就都把光當做波來鉆研;量子力學出來,行家又都認同了“光子”的存在。范式遷移不是轉瞬的,但是它是整個“科學共同體”的巨變。

    到 1930 年代,量子力學的基本理論就已經齊全了,此后主流物理學家就不再鉆研量子力學。那他們鉆研什么去了呢?物理學又發生了什么范式遷移呢?

    答案是……吾望現在已經不及叫范式遷移了?,F在是每個物理學家都夢想本身弄個十足紛歧樣的說法,然后你們都跟著吾遷移 —— 現在有許眾新范式,但是誰也不清新該不答遷移。

    *

    咱們從物理學的四栽“相互作用”說首。這已經是一個范式遷移,由于以前行家都把引力、電磁力這些叫做“力(force)”?!傲Α边@個說法有點土氣,力的場景是吾用力推你一下,你就會去吾的力的傾向行動,這個太淺易。物理學家發現力跟行動的有關能夠很復雜,叫“相互作用(interaction)”更正當。

    前兩個是吾們熟識的引力和電磁相互作用。它們描寫了原子核之外、吾們平時生活所能接觸到的所有行動?;瘜W家、生物學家、火箭科學家……除了物理學家之外各走各業所有的行家,會算一個引力會算一個電磁相互作用就夠了。但是物理學家負責注釋這個世界,就必須想的更深。

    吾們想想原子核。原子核是由不帶電的中子和帶正電的質子構成的,那這些質子們薈萃在一個那么小的地方,它們的正電答該讓它們互相排斥才對???是什么力量,把質子和中子們給拉住,不讓它們散開呢?

    這就是第三栽相互作用,叫“強相互作用”。1964 年,默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和喬治·茨威格(George Zweig)挑出,并且后來被實驗驗證,質子和中子都不是最基本的粒子,它們都是由“夸克”構成的??淇擞辛灶愋?,叫做六個“味道”,別離是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、底夸克和頂夸克。比如質子是兩個上夸克和一個下夸克構成的,中子是兩個下夸克和一個上夸克構成的。

    夸克的每個味道又有紅、綠、藍三栽“顏色”。自然不是真實的顏色,夸克的顏色就相通電子和質子的電荷相通,代外它們對強相互作用的受力手段。質子和中子各自的三個夸克由強相互作用被綁定在一首,綁益之后還有余了一點強相互作用,又把質子和中子們綁在一首。描寫強相互作用的理論,叫做“量子色動力學”。

    原子核里還有一個過程,一路先叫“β衰變”,是強相互作用也注釋不了的。未必候原子核正本益益的,驟然從內部開釋出來一個電子和一個中微子,效果是其中的一個中子變成了質子!

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    1932 年,意大利物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)斷定β衰變是第四栽相互作用導致的,稱為“弱相互作用”?,F在吾們清新 β衰變其實是一個夸克變成了另一個夸克。包括夸克和電子在內,所有的費米子 —— 也就是自旋是 1/2 云云半整數的基本粒子 —— 都會受到弱相互作用的影響。中微子也參與、而且只參與弱相互作用,這就是為什么中微子這么難以探測。

    于是你望,相互作用不光能影響粒子的行動,而且能讓一個粒子變成另一個粒子,這比吾們印象中的“力”是不是高級眾了。那說到這邊,這些相互作用到底是怎么發生的呢?兩個粒子之間是用什么手段互相影響的呢?

    *

    牛頓是把引力當成了一栽超距作用,不管距離眾遠,只要那有個星體,你就能感受到它的引力,引力相通能夠隔空傳輸。到了麥克斯韋和喜歡因斯坦這邊,超距作用就太荒唐了,行家仔細想想,必須得跟一個什么東西發生接觸,你才能感受到力,不然你這個感受是如何傳遞的呢?那一代物理學家發清新“場”這個概念。

    場是一栽彌漫在空間中,必定周圍之內無處不在的東西。電磁力有電磁場,電磁波就是電磁場的震動。引力有引力場,按照廣義相對論,那就是時空本身的曲曲。不是兩個帶電粒子直接發生有關,而是它們各自跟此地由于它們的存在而存在的誰人電磁場發生有關。

    場這個概念專門完善……但是量子力學展現了。量子力學認為電磁場根本不是一個不息的東西,而是一個一個的“光子”。那在光子這個視角之下,電磁相互作用是個什么圖像呢?

    這就是融相符了量子力學和狹義相對論的“量子電動力學”。量子電動力學認為,兩個帶電粒子之間,是經由過程交換光子來發生相互作用的。

    這個圖像很有有趣,吾給你打個比方 [1]。想象咱倆在一個絕對平滑的冰球場里各自行動。地面太滑了吾們不及借力,只能慣性進展,眼望就要互相撞上了。但是吾手里抱著一個很重很重的切糕,吾驟然把切糕扔給了你!由于切糕的逆作用力,吾的路線獲得了偏轉。而你接住了切糕,由于你接收了切糕的沖力,于是你的路線也偏轉了。一個站在遙遠的人要是望不見誰人切糕,還以為是咱倆發生了碰撞。

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    咱倆就是兩個帶電粒子,切糕就是光子,這就是電磁相互作用。實際過程復雜得眾,能夠吾們不光交換了一個光子,能夠你還會先發出、再接收一個本身的光子,所有這些情況形成量子疊添態,能夠用費曼圖外示,要做一個很麻煩的計算。

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    那既然電磁相互作用是交換光子,別的相互作用會不會也是交換什么東西呢?這就引出了“量子場論(Quantum Field Theory)”。量子場論認為所有相互作用的場,都是以某栽粒子的形式存在的,相互作用就是交換這栽粒子。楊振寧師長用“楊-米爾斯理論”為量子場論做出了關鍵貢獻。

    量子場論認為強相互作用是夸克之間經由過程交換“膠子”的實現的,弱相互作用則是交換了三栽粒子,叫做 Z0, W+ 和 W-。你望這個“交換粒子”的圖像是不是比牛頓誰人超距作用,比麥克斯韋的誰人場都要益,它不清清晰了“力”到底是什么東西,而且既然都是由粒子傳播的,力的傳輸速度自然就不及超過光速。

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    夸克和膠子

    但物理學家的野心不止于此,他們還想把這總共都聯相符首來。

    *

    所謂“聯相符”,就是以前你覺得這是兩個十足分別的東西,而現在有個理論,發現它們在更高的層面上其實是聯相符栽東西。比如前人認為人和暗猩猩專門紛歧樣,現在吾們清新秀和暗猩猩有 98% 以上的基因都是相通的:在基因這個層面上,吾們同源同栽。量子電動力學把量子力學、電動力學和狹義相對論聯相符首來了,能夠說是聯相符個理論。1968 年,阿卜杜勒·薩拉姆( Abdus Salam)、謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)和史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)把弱相互作用和電磁相互作用聯相符首來了,稱為“電弱聯相符理論”。

    正本量子場論認為傳遞弱相互作用的那三個粒子也跟光子、膠子相通是異國質量的,但是實驗效果劇烈聲援它們有質量,那這是怎么回事兒呢?后來是英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)挑出了一個機制,說宇宙空間中彌漫著另外一個場,這個場不光授予了 Z0, W+ 和 W- 粒子質量,而且授予了電子之類的“輕子”和夸克質量。那按照量子場論,有場就得有粒子,這個粒子就被稱為“希格斯玻色子”。

    到上世紀七十年代,強相互作用、希格斯機制這些都被聯相符進來,形成了一個一統三栽相互作用的大理論,這就是“標準模型(Standard Model)”。

    在標準模型眼中,世界上所有的粒子只有三栽:一栽是“感受”相互作用的粒子,包括夸克和電子之類的輕子,它們都是費米子;一栽是傳遞相互作用的粒子,包括光子、膠子、Z0, W+ 和 W-,它們都是自旋是整數的“玻色子”;外添一個希格斯玻色子。

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    吾們想想,面對這么一個模型,理論物理學家得有眾自夸。除了電子是實驗先發現的之外,其他的基本粒子全都是理論物理學家先用數學方程展望有這么一個東西,然后實驗中就真的不悅目測到了這么一個東西。而做成這總共也許只用了二十眾年。

    這個世界的暗號就在標準模型里!……但是且慢,那引力呢?

    *

    吾們要不要把引力場也來個量子化,表明引力是由“引力子”傳播的?從上世紀七十年代到現在,四五十年以來,有上千個物理學家殫精竭慮就想做這一件事兒。他們想把標準模型和廣義相對論聯相符首來。廣義相對論是個確定性的理論,標準模型是個量子理論,它們能聯相符嗎?

    新一代理論物理學家的思維比玻爾開明,他們的精神比泡利強勢,他們中的有些先天人物在比海森堡更年輕的時候最先參與物理鉆研,他們會的數學遠遠超過狄拉克 —— 但是他們再也異國得到過上一代人益似輕盈就能得到的榮譽。

    1964 年,包括希格斯本人在內的六個物理學家發外了三篇論文,同時預言了希格斯玻色子的存在。特出的理論家如此之眾,以至于后來諾貝爾獎都不清新該發給誰。2012 年,大型強子對撞機終于找到了希格斯玻色子 —— 而這也能夠是理論物理學家的預言末了一次被實驗證實。

    那以前這四五十年,理論物理學家做出了什么呢?做出了比如說“弦理論(String Theory)”。由于要聯相符廣義相對論和標準模型必須進入“普朗克長度”那么小的尺度,兩個粒子在這個尺度上碰撞會形成無窮大的“奇點”,物理學家想了一個新范式。這個范式認為基本粒子不是點狀的東西,而是一個個蜷曲首來的“弦”或者“膜”。

    弦理論涉及高維空間和極其復雜的數學,這對理論物理學家都不算什么,難處在于,弦理論不止有一栽。人們曾經一度找到五栽分別的弦理論,后來在 1994 年,行家認識到它們其實是聯相符栽理論,稱為“M理論(M-Theory)”。但你很難說 M 理論就是最后能一統江湖的誰人最終理論,由于 M理論預言的世界,不止有吾們這一個。

    M 理論認為宇宙有無窮眾栽能夠性,吾們只不過是幸運地生活在其中一個比較正當生命存在的能夠性中而已。自然云云的理論也不及說偏差,可是你怎么表明呢?總共皆有能夠?這跟量子力學的眾世界注釋不是差不眾嗎?這照樣科學嗎?

    M 理論之外,理論物理學家還弄了一些別的、能夠相挑并論的理論,比如“圈量子重力論(loop quantum gravity)”。這些理論跟 M 理論實在能對吾們這個世界做出一些紛歧樣預言,可是有人推想,要想驗證那些預言,你必要建造一個像太陽系那么大的添速器才走,由于涉及的能量太高了。

    物理學正本是個首源于實驗、用實驗做最后判定的科學??墒乾F在最新的物理理論已經跟實驗說不上話了,那這照樣物理學嗎?

    量子力學吾們就講到這邊。1900 年的兩朵烏云讓吾們認識到這個世界背后能夠有個詭秘的原形,現在 120 年以前了,吾們照樣異國找到末了的原形。吾們不清新大自然還允不批準吾們不息追求原形……吾們甚至都不清新,世界背后到底是有一個原形,照樣有眾數個原形。

    (The End)

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    劃重點

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    注解

    [1] 這個比喻后面圖片來自 Mark Humphrey, Paul Pancella and Nora Berrah, Idiot’s Guides - Quantum Physics 一書。

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