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万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案

发布时间:2019-06-12 15:27:21  作者:漫步宇宙  来源:漫步宇宙  阅读:192

      1925年的一天,爱因斯坦与年轻学生埃丝特·沙拉曼一起散步。他说:“我想知道上帝如何创造了这个世界。我对这种或者那种现象,光谱或者元素并不感兴趣。我只想知道上帝的想法,其它的只是细节。”了解上帝的想法是现代物理学的终极目标,意味着科学家能够揭示大自然的法则,创立所谓的“万有理论”。万有理论能够解答所有疑问。不过,创立这一理论可能需要数百年,甚至数千年的不懈努力。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      物理学巨匠爱因斯坦
      作为物理学巨匠,爱因斯坦一心希望了解“上帝的想法”。了解上帝的想法意味着我们能够洞察大自然的法则,或者说创立物理学家所说的“万有理论”。天空为什么是蓝的?为何存在引力?万有理论能够用一个单一理论解答所有疑问。不过,创立这一理论的梦想可能需要数百年,甚至数千年才能照进现实。
      已知的两大理论——爱因斯坦的广义相对论和标准模型——结合起来都能很好地描述我们周遭的世界,但它们距万有理论仍有数光年的距离。广义相对论描述大规模的恒星、星系和宇宙的行为。他认为引力是时空结构的扭曲。广义相对论已多次得到验证,最出名的一次验证是2016年发现引力波。标准模型描述亚原子世界。在朝着万有理论前进的道路上,研究标准模型的科学家取得了最引人注目的进步。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      如果能创立所谓的“万有理论”,我们就能解答宇宙的所有疑问
      我们知道万物由原子构成,原子由质子、中子和电子构成。上世纪60年代,科学家发现质子和中子由更小的粒子——夸克——构成,电子则是轻子家族一员。发现物质的最小构件只是创立万有理论的第一步,第二步是了解掌控各构件如何交互的各种力。
      科学家知道存在四种基本力,在亚原子层面,科学家对其中三种力——电磁力、强核力和弱核力——有着很深的认识。电磁力将原子聚集在一起,同时对化学过程“负责”。强核力将原子核束缚在一起,同时让夸克滞留在质子和中子。弱核力对某些类型的核衰变“负责”。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      标准模型图解
      每个已知的亚原子力都有一个与之相关的粒子或者携带这种力的粒子。胶子带有强核力,光子掌管电磁力,W和Z玻色子控制弱核力。诡秘莫测的希格斯场弥漫整个宇宙,赋予夸克、轻子和一些带力粒子质量。这些构件和力构成了标准模型。
      利用夸克、轻子和已知携带力的粒子,我们可以构建原子、分子、人类、行星以及宇宙内的其它所有已知事物。标准模型是一项非凡成就,有些万有理论的形了,但仍旧不是真正的万有理论。万有理论的目标是找到一个能够解释宇宙物质和活动的单一构件和单一力。标准模型涵盖12种粒子(6种夸克和6种轻子)和4种力(电磁力、引力、强核力和弱核力)。不过,目前还没有已知的量子引力理论。换句话说,引力还不是当前的标准模型的一部分。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      根据所谓的超弦理论,最小的物质构件并不是粒子,而是微小的震荡弦
      物理学家继续探寻一项更根本的理论。为了做到这一点,他们需要减少构件和力的数量。找到一个更小的构件将面临巨大挑战,因为这需要一个超出人类当前能力范畴的超强大粒子加速器。造出这种可运作的新加速器需要几十年时间,而且它只能在现有基础上逐渐升级提速。为此,科学家必须猜测更小构件的可能状态。有一个很流行的概念叫做超弦理论,根据超弦理论,最小的构件并不是粒子,而是微小的震荡弦。就像大提琴的琴弦能够演奏出不同音符一样,不同的震荡模式对应不同的夸克和轻子。在这种方式下,一个单一类型的弦就是终极构件。
      问题是,并没有任何实验性证据证明超弦的存在。观测到超弦所需的能量被称之为“普朗克能量”,是我们当前能够产生的能量的一千万亿倍。普朗克能量对应所谓的普朗克长度,即最小的不可分割单位,超出了量子效应的范围。我们尚无法测量超出这一范围的更小长度。一旦小于普朗克长度或者超出普朗克能量,光子间引力的量子效应将变得非常重要,相对论不再起作用。在可预见的未来,超弦理论仍只是一种推测。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      万有理论能够解释所有已知现象。我们还没有创立这一理论,但我们在标准模型(黄色)中统一了量子世界的行为,对引力(粉色)也有很深的认知。未来,我们将构想一系列新的统一(绿色)。蓝色为我们尚无法理解的问题,需要创立新的理论。此外,我们并不确定,在朝着更高能量级别进发时,我们是否会发现其它现象
      过多的力也是一个问题。科学家希望“统一”各种力,证明它们只是一个单一力的不同表现形式。牛顿证明让物体坠落地面的力与掌管天体运动的力是一样的。麦克斯韦证明电和磁是电磁力的不同行为表现。上世纪60年代,科学家证明弱核力和电磁力实际上是电弱力的两个不同面。研究人员希望将电弱力和强核力统一为所谓的“大统一力”。在此之后,大统一力再与引力统一,进而创立万有理论。
      物理学家怀疑最终的统一可能仍要在普朗克能量层面,因为在这种能量水平,我们无法再像相对论一样忽视量子效应。普朗克能量要远远超过粒子加速器近期内所能达到的能量水平。
    万有理论:生命、宇宙以及任何事情的终极答案
      历史上,科学家多次证明看似不相关的现象如何源自于一个单一力。我们认为这个过程将继续下去,最终创立万有理论
      现有理论与万有理论相差十万八千里。打个比方,如果我们能够探测到的粒子能量用细胞膜的宽度代替,普朗克能量则相当于地球的直径。可以想象,一个彻底洞察细胞膜的人或许能够预测细胞内的其它结构,例如DNA和线粒体,但我们无法想象一个人能够预测地球上的活动,例如火山、海洋或者磁场。
      粒子加速器当前可达到的能量水平与普朗克能量之间存在一条巨大的鸿沟。换句话说,我们几乎不可能在现在创立万有理论。但这并不意味着物理学家应该退休回家,仍有很多有意义的工作等待他们去完成。他们仍需研究一系列尚无法给出解释的现象,例如在宇宙中比重达到95%的暗物质和暗能量,而后利用这些新知识创立一项更全面的物理学理论。这个理论并非万有理论,但仍远远优于当前的理论框架。他们需要重复这个过程,直至让万有理论的梦想照进现实。