1700933500
为了避免后面发生混淆,我再说一遍:弦论在现代物理学中有两种不同的应用。在强子中的应用,那个尺度在常人看起来极其微小,而在现代物理学看来却非常大。强子的三种类型——核子、介子和胶子球——都是类弦的物体,可以用弦论的数学描述,这些都是公认的事实了。那些支撑强子弦理论的实验室实验,可以追溯到半个世纪之前。这种由胶子构成的,连接强子的弦被称为QCD弦。基本弦则是与引力和普朗克尺度附近的物理相关的弦。它让人兴奋而爱辩,在博客上夸夸其谈,还在近期著书论战。
1700933501
1700933502
基本弦与一个质子相比就像一个质子与新泽西州相比,要小很多。对于基本弦来说,引力作用是最重要的。
1700933503
1700933504
引力在很多方面与电力极为类似。带电粒子间的力学规律被称为库仑定律;引力规律被称为牛顿定律。电力和引力都遵循平方反比律。这意味着力的强度与距离的平方成反比。粒子间的距离增加1倍,其间的力将变为1/4;距离变为3倍,那么力将变为1/9;距离变为4倍,力将变为1/16,等等。两个粒子间的库仑力正比于它们所带的电荷;牛顿引力正比于它们的质量。这些是相似之处,但是它们仍有不同:电力既可以排斥(同性之间),也可以吸引(异性之间),但是引力总是相互吸引的。
1700933505
1700933506
一个很重要的相似之处,就是这两种类型的力都能产生波。想象有两个相隔很远的带电粒子,如果突然移动其中一个——假设是远离另一个电荷——那么这两者之间的力会发生什么变化呢?有人可能会认为当第一个粒子移动后作用在第二个粒子上的力将瞬间变化。如果一个作用在遥远的电荷上的力确实是瞬时变化的,没有任何延迟,那么我们可以利用这个效应,给空间中遥远的区域发送瞬时信息。但是瞬时信息破坏了一个自然界中最深刻的原理。根据狭义相对论,没有信息能超光速传递。你不可能用比光传播更短的时间传递一个信息。
1700933507
1700933508
实际上,当一个邻近的粒子突然移动时,作用在遥远的粒子上的力并不是瞬间改变的。一个扰动从这个被移动的粒子(以光速)传播出去。只有当扰动到达那个遥远粒子的时候,作用在该粒子上的力才会改变。这个传播出去的扰动类似一个振荡的波。当这个波最终到达时,它摇动了第二个粒子,就像一口池塘中的软木塞,随波荡漾。
1700933509
1700933510
如果是引力,情况是类似的。想象有一只巨大的手摇动着太阳。太阳的运动在8分钟内是不会被地球所感知的,这个也就是光在两者间传播的速度。这个“信息”以一种曲率涟漪的方式也叫引力波的方式传递。引力波的传播速度与光速相同。质量对引力波所起的作用,犹如电荷对电磁波一样。
1700933511
1700933512
现在让我们再添加一些量子理论的知识。如我们已知道的,振荡的电磁波其能量是以一种不可分割的量子方式出现,这种量子被称为光子。普朗克和爱因斯坦都认为振荡的能量是以离散的单元出现,除非我们弄错了,不然这些相同的论证是可以运用在引力波上面。引力场的量子被称为引力子。
1700933513
1700933514
我应该在这里说明,与光子不同的是,引力子的存在只是一个实验无法检测的猜想,尽管大部分物理学家们认为它基于坚实的原理,不算是一个猜想。即便这样,对于那些已经思考过它的物理学家来说,引力子背后的逻辑是令人信服的。
1700933515
1700933516
1700933517
1700933518
1700933519
光子发射角点
1700933520
1700933521
光子和引力子间的相似性导致了一些有趣的问题。在量子场论中,电磁辐射用一个角点图解释,图中一个诸如电子那样的带电粒子,发射一个光子。
1700933522
1700933523
人们很自然地想到,当粒子发射引力子时会产生引力波。因为任何东西都受引力的作用,所有粒子必定有能力发射引力子。
1700933524
1700933525
1700933526
1700933527
1700933528
引力子发射角点
1700933529
1700933530
甚至一个引力子也可以发射一个引力子。
1700933531
1700933532
1700933533
1700933534
1700933535
不幸的是,包含引力子的费曼图会导致数学上的灾难。近半个世纪以来,理论物理学家们尝试了解引力子的量子场论,但是不断的失败使我们相信,这是一件愚蠢的差使。
1700933536
1700933537
量子场论的困难
1700933538
1700933539
在我1994年剑桥的旅行中最快乐的时光,就是与我的老朋友罗杰·彭罗斯爵士共进午餐。彭罗斯爵士那时刚获得了爵位,我和安妮去牛津对他进行祝贺。
1700933540
1700933541
我们四个人——我、彭罗斯,还有我们的妻子——坐在切尔韦尔河岸上的一个舒适的室外饭店,看着乘方头浅平底船的人们从身边经过。可能你并不太熟悉这项运动,撑平底船是一项优雅的划船运动,它通过撑篙推动船缓缓前进。这项运动富于田原风味,总让我想起雷诺阿(Renoir)的《游艇上的午餐》[173],但是还是有它的惊险之处。当一艘载有一群正在唱歌的本科生的小船经过时,那位撑篙的漂亮姑娘把篙卡在泥里了。她不想把它搞丢,于是在小船滑离的时候还死死地抓住它不放。这一幕为我们的午餐提供了一个余兴的节目。
1700933542
1700933543
同时,我们正在分食巧克力奶油冻,它是我们餐后的甜点,所以四个人的注意力都集中在这块奶油冻上面。女士们吃完了她们的部分,我和彭罗斯还在继续享用这美味的深色的巧克力剩余的部分,同时我们在笑那个束手无策的撑船手(她自己也在笑)。我有趣地注意到,在和彭罗斯你一叉我一叉轮流吃巧克力的时候,我们都将剩下的部分切成两半。彭罗斯也意识到了这一点,于是开始了一场比赛,看谁能切到最后。
1700933544
1700933545
彭罗斯说道,希腊人很早就在想,物质到底是可以无限分割的,还是每一种物质都有一个最小的不可分割的小块——它们被称为原子。“你认为有巧克力原子吗?”我问道。彭罗斯说不记得巧克力是否是元素周期表上的一个元素了。不论怎么说,我们最终把巧克力奶油冻分割成了看起来像最小的巧克力原子一样的东西,而且如果我没记错的话,彭罗斯赢了。当另一条船驶过来的时候,撑船事件也愉快地结束了。
1700933546
1700933547
量子场论的问题在于它基于的想法是空间(时空)就像可以无限可分的巧克力奶油冻。不论你如何精细地切割,你总可以继续分割它。重大的数学难题都是关于无穷大:数字永远能够数下去,但是为什么它们不能一直进行下去呢?空间无限可分是怎么样,不能无限分割下去又是怎么样?我觉得无穷大这个概念是在数学家中造成迷乱的主要原因。
1700933548
1700933549
不论神智是否迷乱,一个无限可分的空间被数学家称为连续统。连续统的问题在于最小的距离上面依然可存有巨大的量。实际上,一个连续统并没有最小距离——在你细胞越变越小的无限回归之中,你也就随之消失,这种情况可以在任何一个层面发生。换句话讲,一个连续统可以在空间每一个微小的体积中,蕴藏无穷多比特的信息,不论这个体积多么小。
[
上一页 ]
[ :1.7009335e+09 ]
[
下一页 ]