| 天人地 | 2024-01-08 11:14 |
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如果你想要回答宇宙中什么是基本问题，你需要在最小的尺度调查物质和能量。如果你尝试着把粒子切割到越来越小的结构，当你到小于几纳米的距离你会开始注意到一些非常有趣的事，这个时候传统的物理规则还适用。 在更小的尺度上，现实开始以奇怪的、违反直觉的方式表现。我们再也不能将现实描述为由具有明确定义的属性(如位置和动量)的单个粒子构成。相反，我们进入了量子的领域:在那里，基本的非决定论统治着我们，我们需要一个关于自然如何运作的全新的描述。但即使是量子力学本身也有失败之处。他们从一开始就注定了爱因斯坦最伟大的梦想——对现实的完整、确定性的描述。这是为什么。  如果我们生活在一个完全古典的、非量子宇宙中，理解事物将会很容易。当我们把物质分成越来越小的块时，我们永远不会达到极限。宇宙将没有根本的、不可分割的组成部分。相反，我们的宇宙将由连续的物质构成，如果我们制造一把众所周知的更锋利的刀，我们总是能够把东西切成越来越小的块。 这个梦想就像20世纪早期的恐龙一样破灭了。普朗克、爱因斯坦、卢瑟福等人的实验表明，物质和能量不能由连续的物质构成，而是可以被分割成离散的块，即今天的量子。量子理论最初的想法有太多的实验支持:宇宙根本就不是经典的。  在20世纪的头三十年里，物理学家们在这些令人困惑的小尺度上努力发展和理解宇宙的本质。我们需要新的规则来描述它们，需要新的、违反直觉的方程式和描述。客观现实的概念已经过时，取而代之的是: 概率分布而不是可预见的结果， 波函数而不是位置和动量， 海森堡不确定性关系而不是单个性质。 描述现实的粒子不能再仅仅被描述为粒子。相反，它们既有波的元素，也有粒子的元素，它们的行为遵循一套新的规则。  起初，这些描述给物理学家们带来了很大的困扰。这些问题的产生并不仅仅是因为哲学上的困难，比如接受一个不确定的宇宙，或者改变对现实的定义，尽管确实有很多人被这些方面所困扰。 相反，困难更加严峻。狭义相对论得到了很好的理解，但是量子力学最初的发展只适用于非相对论系统。通过将位置和动量等物理量从物理性质转化为量子力学算符(一种特定的数学函数)，这些奇异的现实方面可以被纳入我们的方程中。  但是你允许你的系统进化的方式依赖于时间，对于不同的观察者，时间的概念是不同的。这是量子物理学面临的第一个生存危机。 我们说一个理论是相对不变的，如果它的定律对于不同的观察者不改变:对于两个人以不同的速度或方向移动。构建量子力学的相对论不变版本是一项挑战，物理学中最伟大的思想家们花了多年时间才克服了它，并最终在20世纪20年代末由保罗•狄拉克(Paul diracon)完成。  他的努力产生了现在被称为狄拉克方程的结果，这个方程描述了像电子这样的真实粒子，也解释了: 反物质, 内在角动量, 磁矩, 物质的精细结构特性， 以及带电粒子在电场和磁场中的行为。 这是一个巨大的飞跃，狄拉克方程出色地描述了许多已知的最早的基本粒子，包括电子、正电子、介子，甚至(在某种程度上)质子、中子和中微子。  但这并不能解释一切。例如，光子不能完全用狄拉克方程来描述，因为它们具有错误的粒子特性。电子-电子相互作用得到了很好的描述，但是光子-光子相互作用却没有得到很好的描述。即使在狄拉克的相对论量子力学框架内，解释像放射性衰变这样的现象也是完全不可能的。即使有了这一巨大的进步，故事的一个主要部分还是缺失了。 最大的问题是量子力学，甚至相对论量子力学，都不足以描述宇宙中的一切。  想想如果你把两个电子放在一起会发生什么。如果你用经典的方法思考，你会认为这些电子每一个都会产生电场，如果它们在运动，也会产生磁场。然后另一个电子，看到第一个电子所产生的场，当它与外场相互作用时，会感受到一个力。这是双向的，这样就交换了一个力。 这对于电场和任何其他类型的电场都一样有效，比如引力场。电子有质量也有电荷，所以如果你把它们放在引力场中，它们会根据质量做出反应，就像电荷会迫使它们对电场做出反应一样。即使在广义相对论中，质量和能量曲线空间，曲线空间也是连续的，就像其他场一样。  这类公式的问题是，当位置和动量在经典处理下时所在的场处于相同的基础上。场推动粒子到特定位置，并改变它们的动量。但在一个位置和动量不确定、需要被当作算符而不是有值的物理量来对待的宇宙中，我们让我们对场的处理保持经典，是在欺骗自己。  这是量子场论的一大进步，或者与其相关的理论进步:第二次量子化。如果我们把场本身当作量子，它也会变成量子力学算符。突然之间，宇宙中无法预测(但可以观察到)的过程如下: 物质的创造和毁灭， 放射性衰变, 量子隧穿产生电子对正电子对， 电子磁矩的量子修正， 都是有意义的。  虽然物理学家通常用粒子交换和费曼图来思考量子场论，但这只是一个计算和可视化的工具，我们试图给这个概念增加一些直观的感觉。费曼图是非常有用的，但他们是一个计算的摄动法（大约），当你采用非摄动方法计算时，量子场论通常会产生迷人的、独特的结果。 但是，对磁场进行量化的动机比那些支持摄动或非摄动方法之间的争论更为根本。你需要一个量子场论来成功地描述粒子和粒子之间的相互作用或者粒子和场之间的相互作用，以及场和场之间的相互作用。随着量子场论及其应用的进一步发展，从光子散射到强核力的一切都是可以解释的。  与此同时，人们立刻明白了为什么爱因斯坦的统一方法永远不会奏效。在西奥多·卡鲁扎工作的激励下，爱因斯坦痴迷于将广义相对论和电磁学统一为一个框架的想法。但是广义相对论有一个基本的局限性:它是一个经典理论的核心，它的概念是连续的、非量子化的空间和时间。 如果你拒绝量化你的场，你注定会错过宇宙重要的内在属性。这是爱因斯坦在他的统一尝试中致命的缺陷，也是为什么他对更基本理论的研究方法被完全(而且是合理的)抛弃的原因。  宇宙已经一次又一次地证明了它在本质上是量子的。从晶体管到LED显示屏，再到导致黑洞衰变的霍金辐射，这些量子特性在各种应用中都有体现。量子力学本身存在根本性缺陷的原因，并不是因为新规则带来的怪异，而是因为它走得不够远。粒子确实具有量子特性，但它们也通过本身就是量子的场相互作用，所有这些都以相对不变的方式存在。 也许我们将真正实现一个万物理论，其中每一个粒子和相互作用都是相对论性的和量子化的。但这种量子的奇异性肯定是它的各个方面的一部分，甚至是我们尚未成功量化的部分。用霍尔丹不朽的话来说，“我自己的怀疑是，宇宙不仅比我们想象的更奇怪，而且比我们能想象的更奇怪。” |
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