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现代物理学的困境

时间:2020-06-04 05:40

万有引力就像艾萨克·牛顿爵士描述的那样:如果你跳起来,万有引力就会把你拉回到地面。简单地说,引力是一种影响和改变物体运动的力。至少的爱因斯坦出现之前是这样的。

爱因斯坦通过他的广义相对论,详细阐述了引力的数学公式,这个力被理解为时空“不可避免的扭曲”。但是,这种扭曲是如何发生的呢?

无论什么时候,任何东西都试图以直线穿过宇宙,这个物体都会沿着一个轨迹运动,这个“轨迹”会被附近任何形式的质量和能量所弯曲。因此,我们所认为的引力就是宇宙结构的曲率。

看起来是这样,但是一旦我们把这个理论应用到另一个物理领域中非常重要的理论——量子力学时,问题就出现了。

但是量化引力并没有那么难。我们已经把所有其他的基本力(电磁力,强核力和弱核力)量化了。因此量化引力(基本力中最弱的)应该是小菜一碟。对吧?

一个电子遇到一个光子。接下来会发生什么?两个粒子会相互碰撞吗?光子能“反弹”吗?能量或动量是如何交换的?这些粒子会在第一眼就爱上对方还是讨厌对方?

现在,有一些事情使这个情况变得复杂。例如,光子可以随意产生或消灭。打开电灯,数以万亿计的光子从灯泡中涌出。他们短暂地体验了生活所能提供的所有快乐和自由,但当他们撞上一堵墙并被原子吸收时,他们的存在就消失了。所以,在狭义相对论中,物质和能量是可以相互转换的,如果能量可以被创造或毁灭,那么质量也可以被创造或毁灭。

因此,我们可以同时创造光子和电子。你只需要一个空盒子,它们就会神奇地出现。当然,如果它们真的出现了,它们会马上消失。

但我们假设盒子里有一个粒子(假设是一个光子),能随意将自身转变成电子或正电子的物质。同样的,任何粒子也可以把自己变成光子。毕竟,物质和能量是一回事。两者都能像换衬衫一样容易地转换。

早在19世纪,我们就有了物理学的“经典”图景。这幅画布被涂上了连续的颜色,其中电磁场优雅而流畅地摆动和波动。但量子力学出现了,它描绘的现实图景完全不同。量子世界不是光滑连续的场,物质只能有一定数值的能量和一定数值的角动量。

量子电磁场的艺术印象我们的猜想是存在一个贯穿时空的电磁场。它可以获得额外的能量,然后被“捏掉”。就像光子一样。这意味着光子只是电磁场的一小部分。因此,可以通过从电磁场的局部区域增加或减少能量来创造或消灭光子。

从这一点我们可以论证,有一个带光子的电磁场和一个带电子的电场。两者同时在空间中扩散。所以,如果给电磁场增加一点能量,一些光子就会蹦出来。相应地,如果给电场增加一点能量,一些电子就会跳出来。最后,所有的事情都是一样的,这解释了如何可以随心所欲地创造和破坏电子。它所需要的只是从能量场中增加或减少能量。

现在你可以看到困难了。我们面对的不仅仅是一对一的直接碰撞。当电子和光子移动时,它尔会消失,然后又重新出现,甚至相互转换(就像一个场向另一个场传递能量一样容易)。所以必须把所有可能的碰撞加起来。

然而,当把所有这些可能的碰撞加起来时,就又会遇到麻烦。这些粒子的相互作用有无数种可能的组合。而在自然界中,无论何时出现无穷大,都无法取得进步;没有进步,就无法做出预测;没有预测,就没有科学。

幸运的是,几十年前,一些杰出的物理学家发现了一些窍门。通过巧妙的操作,他们成功地把所有的数学术语都集中到有限的几个地方。无穷大仍然存在,但由于方程的存在,可以将无穷排除在外。所以,即使我们的理论不能预测所有的事情,但通过将无穷排除在外,我们可以取得一些进展,并预测一些事情。

这就是量子场论的世界,正是由于它,粒子领域取得了令人难以置信的进步,以及它们与四种基本力的相互作用的方式。但是哪一种力是难以被吸收的呢?

其中一个问题是重力并不像其他力一样。时空是所有粒子炫耀自己的舞台。广义相对论告诉我们,“舞台”也是有生命的。它在粒子的影响下发生弯曲和翘曲,这种弯曲和翘曲改变了它们的运动方向。所以当物理学家从量子场的角度研究基本的电子-光子相互作用时,我们就会有遇到麻烦。因为,我们不仅要考虑光子和电子相互作用的每一种可能的组合和排列,还要考虑它们所有可能的时空配置!

无穷大是无法处理的。但我们又不能假装他们不存在。我们无法用已知的测量数据来弥补。数学太复杂了,我们无法使它简单到足以解决这个难题。

但还是有希望的。一些聪明的想法,如弦理论,正试图解决这些问题。但必须指出的是,在过去几十年里,这种理论都没有取得多大的进展。

这就是为什么像黑洞和早期宇宙这样的地方对理论物理学家如此有吸引力。它们是引力强大的地方,通过研究它们,我们希望能对如何正确对待引力有一个大致的了解。

但与此同时,我们希望能够找到物理学圣杯,它能一劳永逸地解决现代物理学最大的问题。