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第六十集
前面聊了这么多啊
但这量子论的道路仍未走到尽头
虽然他已经担负了太多的光荣和疑惑
但命运仍然注定了他要继续影响物理学的将来
在经历了无数的风雨之后
这一次
他面对的是一个前所未有强大的对手
也是最后的终极挑战
广义相对论
标准的薛定谔方程是非相对论的
在他之中呢
并没有考虑到光速的上限
正如同啊
我们在上一节讨论过的那样啊
这一缺陷呢
最终由迪拉克等人所弥补
最后完成的量子场论
实际上呢
是量子力学和狭义相对论的联合产物
当我们仅仅考虑电磁场的时候
我们得到的是量子电动力学
它可以处理电磁力的作用
大家啊
在中学里面都知道
这电磁力啊
同性相斥
异性相吸
量子电动力学认为啊
这个力的本质呢
是两个粒子之间不停的交换光子的结果
两个电子互相靠近
并最终因为电磁力而弹开
这其中发生了什么呢
原来两个电子不停的在交换光子
想象两个溜冰场上的人
他们不停的把一只皮球抛来抛去
从一个人的手中扔到另外一个人那里
这样一来
他们必定是离得越来越远
似乎他们之间是有一种斥力呀
在电磁作用力中呢
这个皮球就是光子
那么异性相吸是怎么回事
啊
你可以想象成啊
两个人背靠背站立
并不停的把球呢
扔到对方面对的墙壁上
再反弹到对方手里
这样就似乎有一种犀利
使两个人紧紧靠在一起
但是啊
当处理到原子核内部的事物时
我们面对的就不再是电磁作用力了
比如说
一个氦原子核
它由两个质子和两个中子组成
中子不带电啊
倒也没有什么
可两个质子却都带着正电
如果说同性相斥
那么他们应该互相谈开
而怎么可能保持在一起呢
这显然不是万有引力互相吸引的结果
在如此小的质子之间
引力微弱的基本可以忽略不计
必定有一种更为强大的合力
比电磁力更强大
才可以把它们拉在一起
不至分开
这种力
叫做强相互作用力
聪明的各位呢
也许已经猜到了啊
既然有强相互作用力
那么必定相对的还有一种弱相互作用力
事实正是如此
弱作用力呢
就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因
这样一来
我们的宇宙中
就总共有着四种相互作用力
引力 电磁力
强相互作用力和弱相互作用力
他们各自为政
互不管辖
遵守着不同的理论规则
但是 四种力
这是不是太多了
所有的物理学家都相信
上帝
大自然的创造者
他老人家哪是爱好简单的
他为什么要吃力不讨好的安排四种不同的力来让我们头疼呢
也许啊
只不过是我们还没有领悟到宇宙的奥义而已
而我们眼中看到的
只不过是一种假象
或者
在这四种力的背后
原来是同一种东西
大家已经看到
在量子电动力学中呢
电磁力被描述为交换光子的结果
日本物理学家汤川秀树预言
强相互作用力和弱相互作用力之间呢
必定也是类似的机制
只不过
在强相互作用力中呢
被交换的不是光子
而是介子
而弱相互作用力中交换的则是中间波色子
这些预言不久后相继得到了证实
使得人们不免开始怀疑啊
这三种利益其实本质上是一个东西
只不过在不同的环境下显得非常不同而已
特别是弱相互作用力
它的理论形式看上去同电磁作用力极其相似
当李政道与杨振宁提出了弱相互作用下与衬不守恒之后
这一怀疑便愈加强烈起来
终于
到了二十世纪六十年代
美国人格拉肖
温伯格和巴基斯坦人萨拉姆成功的从理论上证明了弱作用力和电磁力的一致性
他们的成果被称为弱电统一理论
三人最终呢
为此得到了一九七九年的诺贝尔奖
该理论所预言的三种中间波色子
到了八十年代呢
也被实验所全部发现
板上钉钉的证实了他的正确
物理学家们现在开始大大的兴奋起来了
既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种东西
可以被一个相同的理论所描述
那么
我们又有什么理由不去相信
所有的四种力其实本来都是一样的呢
在物理学家们看来啊
这是一个天经地义的事儿
上帝
他们一定只按照一份蓝图
一个基本方程来创造我们的宇宙
而不会无端端的搞出三四种乱七八糟的不同版本来
如果有物理版的独立宣言
那里面一定会有这样的句子
我们认为
这是不言而喻的事实
每一种力都是被相同的创造的
是啊
一定存在着那样一个终极理论
它可以描述所有的四种力
进而可以描述宇宙中的所有物理现象
这是上帝最后的秘密
如果我们能把它揭示出来的话
无疑就最终掌握了万物运作的本质
这是怎样壮观的一个景象啊
那时候啊
整个自然
整个物理
就归于一个单一的理论之中
他的光辉普照
洒遍每一寸土地
再也没有不可知的阴暗角落
哪个物理学家能够抗拒这伟大的目标呢
现在
戎马已备
割毛已休
我们浩浩荡荡的大军终于就要出发
去追寻那个失落已久的统一之梦
如前所描述啊
我们的第一个战略目标呢
已经达成
如果相互作用力和电磁力如今已经被合并了
接下来
我们要进军强相互作用力这块地域啊
目前为止
被量子色动力学
也就是QCD所统治的
大家已经知道啊
这个强相互作用力
本质上是交换介子的结果
那些能够感受强力的合子
也因此被称为强子
比如质子
中子等等
一九六四年呢
盖尔曼提出了一个如今家喻户晓的模型
每一个强子都可以进一步被分割为称为夸克的东西
他们通过交换交子来维持相互的作用力
稀奇的是
每种夸克既有不同的味道
更有不同的颜色
这也成了量子色动力学名称的由来
到目前为止
这个理论被证明是相当有效和准确的
要推翻其位而吞并其土
似乎不是一件太容易的事儿
幸运的是
虽然兵封指处
形势紧张严峻
大战一触即发
但两国的君主却多少有点血缘关系
这给和平统一留下了余地
他们都是在量子场论的统一框架下完成的
早在一九五四年
杨振宁和米尔斯就建立了规范场论吸取了对称性破缺的思想之后呢
这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发的获得质量
正因为如此
中间波色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一个框架内
从而统一了弱
电两种力
而反观量子色动力学
它本身就是模仿量子电动力学所建立的
连名字都模仿自后者
所不同的是
光子不带电荷
但焦子啊
却带着颜色荷
但如果充分的考虑自发对称破缺的规范场
将理论扩充为更大的单群
把交子也拉进统一中来
也并非不可能
或许
我们不必诉诸武力
只要在宪政制度上做一些松动和妥协
就可以建立起一个包容三种力的理论来
这样的理论被骄傲的称为大统一理论
自他被第一次提出以来
已经发展出了多个变种
但不管怎样
其目标都是统一弱相互作用力
强相互作用力和电磁力三种力
把它们合并在一起
包含到同一个框架中去
不同的大统一理论呢
预言了一些不同的物理现象
比如质子可能会衰变
比如存在着瓷丹极子或者奇异贤
但可惜的是
到目前为止
这些现象都还没有得到确凿的证实
退一步来说
由于理论中一些关键的部分
比如西格斯波瑟子的假设
到目前为止啊
都尚未在实验中发现
甚至我们连粒子的标准模型也不能百分之百的肯定正确
不过
无论如何
大统一理论是非常有前途的理论
很多人相信
他的胜利是迟早的事情
我们终将达到三种利统一的目标
可是
虽然号称大统一
这样的称号却依旧是名不副实的
就算大统一理论得到了证实
天下却仍未统一
四海仍未一静
人们怎么可以遗漏了那块辽阔的沃土
引力呢
GUT即使登基
它的权利仍旧是不完整的
对于引力
它仍旧是鞭长莫及
天无二日
民无二军
雄心勃勃的物理学家们
早就把眼光放到了引力身上
即使他们事实上连强相互作用力也仍未最终征服
真可谓尚未得拢
便已忘蜀
引力在宇宙中呢
是一片独一无二的区域
它和其他三种力呢
似乎有着本质的不同
电磁力有时候啊
互相吸引
有时候互相排斥
但引力却总是吸引的
这使得它可以在大尺度上累加起来
当我们观察原子的时候呢
引力可以忽略不计
但一旦我们的眼光放到恒星
星云
星系这样的尺度上
引力便取代别的力成为了主导因素
想要把引力包含进统一的体系中来
是格外困难的
如果说电磁力
强相互作用和弱相互作用力还勉强算同文同种
引力则傲然不群
独来独往
更何况
我们并没有资格在他面前咆哮说天兵已至
为何还不服王化芸云
因为他的统治者啊
有着同样高贵的血统和深厚的渊源
这里的国王是爱因斯坦
伟大的广义相对论
其前身呢
则是黄黄的牛顿力学
物理学到了这个地步啊
只剩下了最后一个分歧
但也很可能是难以调和和统一的分歧
量子场论虽然争取到了狭义相对论的合作
但他还是难以征服引力
广义相对论拒绝与他联手统治整个世界
他更乐于在引力这片保留地上独立的呼风唤雨
从深层次的角度上说呢
这里凸现了量子论和相对论的内在矛盾
这两个二十世纪的伟大物理理论之间
必定要经历一场艰难和痛苦的融合
才能孕育出最后那个众望所归的王者
完成普天之下莫非王土的宏愿
物理学家有一个梦想
一个深深植根于整个自然的梦想
他们梦想有一天呢
深壑弥河
高山移平
荆棘变沃土
歧路变通衢
他们梦想造物主的光辉最终被揭示
而众生得以一起朝觐这一终极的奥秘
而要实现这个梦想
就需要把量子论和相对论真正的结合到一起
从而创造一个量子引力理论
它可以解释一切的力
进而产生一切的物理现象
这样的理论是上帝造物的终极蓝图
他讲述了这个自然最深刻的秘密
只有这样的理论
才真正有资格称得上大统一
不过
既然大统一的名字已经被GOT所占用了
人们给这种终极理论取了另外一个名字
万能理论
爱因斯坦在他的晚年
就曾经试图去实现这个梦想
在普林斯顿的那些日子里
他的主要精力啊
都放在如何去完成统一场论上
虽然呢
他对这个强力和弱力这两个王国还不太了解
但是爱因斯坦的战略思想呢
却是从广义相对论出发
去攻打殿此力
这样的进攻被证明是极为艰难而伤亡惨重的
不仅边界上崇山峻岭
有着无法克服的数学困难
而且对方居高临下
地形易守难攻
占尽了便宜
虽然爱因斯坦执着不懈的一再努力
但整整三十年
直到他去世为止
仍然没有获得任何进展
今天看来
这个失败是不可避免的
广义相对论和量子论之间
有一条深深的不可逾越的鸿沟
而爱因斯坦的旧式军队是绝无可能跨越这个障碍的
但在另外一个方面
爱因斯坦所不喜欢的量子论迅猛的发展起来
正如我们描述的那样
他的力量很快就超出了人们所能想象的极限
这一次
以量子论为主导统一
是否能够被真正完成了呢
历史上产生了不少量子引力理论
但由于篇幅原因呢
我们只想在此啊
极为简单的描述一个
它就是近来大红大紫
声名远扬
时髦无比的超显理论
今天的这个饭后闲话呢
咱们来聊聊啊
霍金打赌
一九九九年啊
霍金在一次演讲中说呢
他愿意以一赔一
赌一个万能理论会在二十年内出现
当然
他最近声称呢
自己放弃了追寻万能理论的努力
不过霍金好打赌那是出了名的
咱们顺着这个话题呀
来闲话几句这科学中的打赌
我们所知的
霍金打的最早的一个赌
或许是他和两个幼年时的伙伴所打的
他们赌金后
他们之间是不是会有人出人头地
霍金出名后呢
还常常和当初的伙伴开玩笑说
因为他打赢了
所以对方啊
欠他一块糖
霍金三十三岁时啊
第一次就有科学问题打赌
之后便一发不可收拾
今天我们所熟知的最有名的几个科学赌局
几乎都和它有关
或许也是因为霍金太出名
太容易被媒体炒作渲染的缘故吧
一九七四年
黑洞的热潮在物理学界方兴未艾
人们已经不太怀疑黑洞是一个物理真实
但在天文观测上
仍然没有找到一个确实的实体
不过
已经有几个天体非常可疑
其中一个叫做天鹅座x一
如果你小时候呢
阅读过八十年代的一些科普书籍
你会对这个名字耳熟能详
霍金对这个天体的身份表示怀疑
他和加州理工的物理学家索恩立下字据
以一年的阁楼杂志读索恩四年的私家侦探
大家也许会对霍金这样的大科学家竟然下这样的赌注而感到惊奇
嘿
不过这饮食男女
人之大欲
反正他就是这么赌的
今天大家呢
都已经知道啊
宇宙中的黑洞多如牛毛
天鹅x一的身份更是不用怀疑
不过啊
这个最近呢
劳伦斯国家实验室的物理学家仍旧声称这个黑洞是不存在的啊
在一九九零年的
霍金道南加州大学演讲
当时呢
索恩在莫斯科
于是霍金大张旗鼓的闯入了索文的办公室
把当年的赌具翻出来
印上拇指印
表示认输
霍金后来真的给索文订了一年的阁楼
索恩家里的女性成员对此是有意见的
因为呢
这个杂志啊
适和这个花花公子齐名的男性杂志啊
可惜呢
最近倒闭了
但那倒也不是对于阁楼有什么反感
在美国这种开放社会
这不算什么
反对的原因呢
来自女权主义
他们坚持呢
索恩应该读一份适合男女共同阅读的杂志
当年索恩呢
还曾赢了钱德拉塞卡的花花公子
出于同样的理由呢
换成了听众
霍金输了这个场子
很是不甘
一年后呢
便又找上了索恩
同时还有索恩的同事
加州理工的另外一位物理学家普雷斯基读宇宙中不可能存在裸机点
富者呢
也要为对方啊提供能够包裹裸体的衣服
这次
霍金不到四个月就发现自己还是要输
黑洞在经过霍金蒸发后啊
的确可能保留一个裸基点
但霍金在文字上耍赖
声称由于量子过程而产生的裸基点并不是赌约上描述的那个由于广义相对论而形成的裸基点
而且那个证明也是不严格的
所以不算
逃得了初一
逃不过十五啊
一九九七年
德州大学的科学家用超级计算机证明了
当黑洞坍缩时
在非常特别的条件下呢
裸机点在理论上是可以存在的
霍金终于认输了
给他的对手啊
各买了一件t恤衫
但他还是不服气的
他另立赌约
赌虽然在非常特别的条件下存在裸机点
但在一般情况下
他是被禁止的
而且
霍金在t恤上写的字
那更是不依不饶
大自然讨厌裸露
霍金在索恩那儿是吃了几次亏了
这次不知能否翻盘
当然
索恩也不是常赌不败的
他曾经和苏联人泽尔多维奇在黑洞辐射的问题上打赌
结果呢
输了一瓶上好的名牌威士忌
有时候
这霍金和索恩还会联手
比如啊
在黑洞蒸发后呢
是否吐出当初吃掉的信息
这一问题上
霍金和索恩赌他不会
而普雷斯基赌他会
赌注是信息本身
胜利者呢
将得到一本百科全书
然而
似乎这霍金赌运不佳
连累了索恩一起失守
先是二零零四年初
俄亥俄州立大学的科学家呢
用闲论分析了一个特殊情况
预言黑洞很可能将吐出信息
然后到了七月份
霍金自己宣布正式修改他长期以来提出的黑洞模型
承认黑洞将在掩灭后把信息重新释放出来
这也成为许多报纸的显著标题
闹得是轰动一时
当然
话说回来
这霍金呢
也并非是逢赌必输
他偶尔也有赢的时候
二零零零年
他和密歇根大学的凯恩赌一百美元
输在芝加哥附近的费米实验室里不可能发现所谓的西格斯
波瑟兹
这是英国物理学家西格斯于一九六四年预言的一种有重要理论意义的例子
但至今尚未证实
后来啊
他又和欧洲的一些粒子物理学家读
说日内瓦的欧洲粒子物理实验室也不可能发现希格斯子
这次霍金终于占得上风
因为至今仍然没有找到西格斯
兹的踪迹
不过霍金对于这个假设的嘲笑态度呢
使得许多粒子物理学家十分的恼火
甚至上升为宇宙物理学家和粒子物理学家之间的一种矛盾
西格斯本人于二零零二年在报上啊
发表了言辞尖刻的评论
说霍金因为名气大
所以人们总是不加判断的相信他说的东西
这也引起了一场不大不小的风波
在科学问题上
打赌的风气由来已久
而根据二零零二年的自然杂志上的一篇文章
目前在科学的各个领域内啊
各种各样的赌局也是五花八门
这也算是科学另外一面的趣味和魅力吧
不知将来是否会有人以此为题材
写出又一篇类似八十天环游地球的精彩小说呢
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量子物理史话感谢您的收听
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