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宇宙萬物到底由什么所支配?

洪振霞2年前16瀏覽0評論

由傳說中的萬物理論(TOE,AtheoryofEverything)所支配。

正如老子所言“道生一,一生二,二生三,三生萬物”,這個傳說中的道,就是萬物理論^_^,至于道所生的一,則是當前正在研究的大統(tǒng)一理論(GUT,GrandUnifiedTheory)。大統(tǒng)一理論是通往萬物理論的關鍵步驟。

圖示:為了探索物質的盡頭和大統(tǒng)一理論(GUT),人類制造出了各種粒子對撞機。

  • 大統(tǒng)一理論(GUT):

理論物理學家有一個夢想,就是將當前發(fā)現的支配萬物的四大力,全部統(tǒng)一在一個方程之中,這個方程就是傳說中的萬物理論(TOE,atheoryofeverything),它就是支配世間萬物的最底層最本質的規(guī)律。當然,這樣的想法,并非是古代哲學家那樣的玄想,而是有著堅實的前期研究基礎,并且可以通過實驗來進行證實或否定。而探索萬物理論的前置步驟是先搞定大統(tǒng)一理論(GUT),愛因斯坦晚年,沉溺于尋找萬物理論之中,但這事兒實在太難,終其后半生,都沒有任何真正的突破。

但現在,理論物理學家已經知道,一口吃不成胖子,事情要一步一步來,要找到萬物理論(TOE)——如果它真的存在——那么首先要找到大統(tǒng)一方程或理論(GUT)。那么大統(tǒng)一理論,究竟是要統(tǒng)一什么呢?

要統(tǒng)一的就是,老子所言的“三生萬物”的三。將三歸一,就是大統(tǒng)一理論。

這三是指的四大力中支配微觀世界的三種力:

  • 強相互作用(Stronginteraction):又稱強核力

    強核力約束夸克形成質子、中子,并且也是它將中子和質子約束在原子核中形成原子核。沒有強核力,就不會有原子,沒有原子,也就不會有提出宇宙萬物到底由什么支配的人類。


  • 弱相互作用(Weakinteraction):弱核力

    弱核力是核裂變和核聚變現象存在的基礎,這種力比強核力弱百萬倍。雖然這種力很弱小,但它是解釋衰變和聚合的關鍵力,在核裂變和核聚變研究中都非常重要。沒有它,宇宙中就將沒有恒星,太陽系將名不符實,因為壓根不會有點燃核聚變的太陽出現,那么人類自然也就沒機會誕生了。

  • 電磁力(electromagneticforce):形成原子的最后一步
    電生磁磁生電,這兩者糾纏在一起,所以合稱為電磁力,當無線電波在空中傳播時,也是通過不斷變化的電磁場進行傳播的。另外,完整的原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成,正是由于存在電磁力,它們才能結合在一起形成完整的原子。發(fā)現這個秘密,構成了化學這門自然科學的根基。原子和原子之間發(fā)生的化學變化,本質上就是形成不同的電子組合。除此之外,對電磁力的主動應用,構成了人類現代文明的根基。電力有多重要,就不用我再多解釋了。

    圖示:形成一個原子需要強核力和電磁力。原子核占據原子中心的位置,由質子和數量不等的中子組成,質子帶正電。外圍則由帶負電的電子構成,電子圍繞原子核高速旋轉,并具有許多奇異的量子性質,與宏觀世界中旋轉并不能簡單類比。


在微觀尺度上,這三種力決定一切。但理論物理學家相信,在宇宙創(chuàng)生之初,這三種力是合三為一,也就是在極高溫極高能的情況下,這三種力其實是同一種力,伴隨著宇宙膨脹和降溫的過程,這種力即大統(tǒng)一力,一分為三,形成了現如今微觀世界的基礎,原子等各種基礎粒子,并支配著微觀世界的一切。

當前,理論物理學家已經成功地將弱相互作用和電磁力成功合并在一起!

正是這個成功,激勵著物理學家,嘗試將強相互作用和弱相互作用和電磁力三者合并在一起,構建大統(tǒng)一理論。為了實現這個夢想,人類投下巨資,建造了多個大型粒子對撞機,但要實現大統(tǒng)一理論條件需要的實驗條件,可能需要更加強大的粒子對撞機,有人認為需要一個圍繞太陽系那么大的對撞機。只有那樣,我們才能獲得足夠高能量的粒子讓它們迎頭對撞,模擬宇宙創(chuàng)生之初的微觀環(huán)境。

圖示:歐洲建造的世界最大強子對撞機,發(fā)現了希格斯玻色子的存在,這是一種可以解釋質量為何存在的基本粒子。它位于瑞士和法國邊界,周長僅27公里,但已經是現在人類工程的極限,它的建造費用高達44億美元,這還不算它的運行費用和維護費用,它一年只能工作一個月,其它時間都用于檢修和維護。它可以達到的能量級別是13TeV的質子和質子碰撞,即每束質子有6.5Tev的能量。

  • 如果理論物理學家們真的能寫出統(tǒng)一前三種力的方程。那么,他們的最終挑戰(zhàn),就是將萬有引力統(tǒng)一到方程中。得到解釋從微觀世界到宇宙星河的終極理論,萬物理論。

圖示:如果我們能回到過去,那么宇宙大爆炸后大約7億年后,星系開始形成。而要形成星系,您就需要萬有引力。

萬有引力是這四種力最弱的力,而且弱到不可思議,它比強核力弱10^。它的影響只有在超宏觀世界中才能有所作為,即以星球、星系為單位。宇宙空間中的兩個普通物體之間的萬有引力完全可以忽略不計。但正是這種看起來最微弱的力,決定著宇宙的終極命運,宇宙是將無限膨脹下去還是最終會塌縮。

這個最弱小的力,之所以能成為決定宇宙結構和命運的力,是因為它有一個性質,那就是它的影響是無遠弗屆的,雖然它會隨著距離不斷衰減,但理論上說它會始終存在,不會衰減到數學上的零,這個性質只有萬有引力和電磁力才具備。而強弱相互作用力,都被限制在微觀世界中。但只有萬有引力才能在極大的物理距離中影響著物質的行動,因為電磁力必須在兩個帶電物體間才存在,一旦帶電的情況被中和,它就消失了。而正負電荷之間的吸引作用,導致這種中和很容易發(fā)生。

圖示:太陽系之所以圍繞銀心旋轉,就是因為受到來自銀心超大質量黑洞的引力的約束所致,同樣地球圍繞著太陽旋轉也是同樣的原因。

有人已經提出,未來的理論物理學家可以利用黑洞來獲得萬物理論,因為黑洞這個引力怪獸,是宇宙創(chuàng)造的一個極其怪異的天體,它將宏觀和微觀捏合在了一起。

總結:

由此我們看到了決定宇宙超宏觀到微觀世界的四種力:

萬有引力;決定宇宙的宏觀結構

電磁力;讓電子和原子核結合在一起形成原子,并產生電磁現象,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引,電子的流動形成了電流。電磁場的變換,是電磁波在空間中傳遞的基礎。

弱相互作用;萬有引力可以讓物質聚合成星球,但要得到太陽這樣的恒星,您就需要弱相互作用,有了它核聚變才會發(fā)生,而有了核聚變才會有元素周期表。因為宇宙創(chuàng)生之初形成的元素只有兩種,一種是氫占據75%,然后是差不多25%的氦-4,剩下的其他元素少得可以忽略不計。同時地球核心由于放射性元素的衰變,一直保持著超高溫度,讓我們有熔融的地核,由此形成了保護地球的磁場。元素的聚變和衰變都要依靠弱相互作用呢。

強相互作用:但上述談論的一切都建立在原子這類物質能夠形成的基礎上。而形成原子您需要重粒子,即質子和中子,它們本身又是由更小的基本粒子組成,即夸克,將夸克限制在一起您就需要強相互作用,而且在原子核中那些帶正電的質子能夠擠在一起,克服電磁力的排斥,您也需要強相互作用。

那么,未來的科學家在更強大的技術的支持下,真的能找到統(tǒng)一萬物的萬物理論嗎?

現在,有些什么理論,有可能成為萬物理論的候選呢?

要了解這個問題,您將進入最怪異的研究前沿,比如宇宙膜理論、圈量子理論等等。

沒有掌握專門的數學工具,難以用普通日常語言討論這些問題。

因為,任何類比本質上都是拙劣的。

要是一言以蔽之,宇宙萬物被什么所支配,那一定是被數學所支配。

只不過,人類是否能寫出那個數學方程,則是一個謎。

而就算寫出來了,我們如何知道,它是正確的呢?

也許,我們需要自己創(chuàng)造一個宇宙來證實它。

所以,對這個問題的不懈追尋,也許意味著人類的技術真正走上成神之路,注意是技術成神,人依然還是凡人。


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