现代物理学的两大基石

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19世纪末,物理学上空飘着两朵乌云。它们分别引发了两场重要的革命:量子理论相对论

1. 量子力学

20世纪,经过普朗克、爱因斯坦、玻尔等人的努力,他们发展出了有史以来最深刻的理论之一——量子力学。

量子力学以惊人的精确性,准确地描述了我们周围的一切:它能解释原子如何运动,分子如何形成,事物为什么会有颜色。在我们制造计算机所需要的那些电子设备时,它也同样是不可或缺的重要部分。

量子力学是在20世纪20年代提出的,最初用来描述氢原子等原子。在量子力学中,能量并不是连续的,而是存在于一份一份的小包中,也就是所谓的量子。粒子所能拥有的能量值是离散的,它们无法拥有量子与量子之间的那些能量值,我们可以将它们所占据的能量视为一个“阶梯”。我们在日常生活中无法感受到这种能级,因为一个量子的能量是非常小的。量子是由约化普朗克常数ħ设定的,大约为1×10-34J·s。

现代物理学的两大基石

在量子世界中,有一些东西基本上是不可知的。例如我们不可能同时精确地确定一个粒子的位置和速度,这就是海森堡不确定性原理即使拥有最先进的仪器,我们也无法同时精确测量两者。这对能量的理解有着深远的影响。

不确定性原理迫使一切都具有少量能量,即便是在绝对零度,也有所谓的“零点能量”;哪怕是在空无一物的真空之中,也充满了能量涨落。

量子力学还表明,波与粒子之间存在一种基本的关联。也就是说,事物有时能同时表现出这两种性质!物理学家称之为波粒二象性

值得注意的是,量子力学是概率性的理论。这意味着它只能告诉我们测得某一结果的概率。而观测会迫使系统选择一个可能的值。物理学家已经通过实验验证了这种行为。

这引起一些有趣的哲学思考:在进行测量之前,我们真的能说粒子存在吗?这仍然是现代物理学的最大谜团之一。我们不知道在我们背过身时的量子世界是什么样子。

我们知道量子力学能准确地描述我们所看到的世界,所以我们想让所有其他的物理理论都与之相容。我们称这些新的理论为量子理论,而不包含量子力学的理论则称为经典理论

 

在过去的50年里,物理学家成功地为四种基本力中的三种(电磁力、弱力和强力)发展出了量子理论。

 

2. 量子场论

量子场论(QFT)将量子力学从单一的局部粒子,扩展成为到无处不在的。场代表的是渗透了所有空间和时间的力。电磁场是我们较为熟悉的一个场,从散落在磁铁周围的铁屑,我们就能观察到磁场。另一个与我们密切相关的场是引力场,它指向地球的中心。

 

这是两个经典(非量子)场的例子。将量子力学应用于在这些领域就带来了量子场论。最简单的量子场论是量子电动力学(QED),它是关于电磁场的量子理论,描述的是被称为电磁场的信使粒子——光子,与电子和正电子之间的相互作用。

 

量子场论的思想听起来或许很简单,但它在概念上其实非常复杂。尽管量子场论可以轻易地重现经典物理学,但若只是按部就班地对量子修正进行简单计算,会很容易得到无穷大的答案——这不可能是对的,因为概率不可能超过100%。所以若要得到可检验的预测,物理学家必须从量子场论中得出有限的概率。

 

这一过程被称为重整化。起初,大家觉得它就像是一种“魔术”:虽然能够给出与自然一致的正确答案,但它处理无穷大的方式却是完全人为的。直到20世纪70年代,理论物理学家肯尼斯·威尔逊(Kenneth Wilson)才能解释为什么这些无穷大的存在既合理但又无关紧要。他也因对此问题的研究而获得了1982年的诺贝尔奖。

 

威尔逊解释说,之所以会出现无穷大,是因为在计算中,我们错误地假设量子场论适用于无限短的距离。重整化只不过就是一个合理而系统的,能够除去这些因这个错误假设而产生的无穷大的过程。

 

量子场论还遭遇了第二个困难:它所涉及的机制太过于复杂,使得我们只能得到近似答案。也就是说物理学家只能对解进行估算,而不能直接计算。这个过程被我们称为微扰理论

 

在某些情况下,微扰理论非常有效。物理学家会将它运用于粒子加速器,比如欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)。你还可以为它画出一幅漂亮的费曼图(如下图)。但它并非完美,对于在远距离上的强力它是无效的。

现代物理学的两大基石

现在,我们已经大致了解量子场论在电磁力、弱力和强力这三种基本力上的运用。这构成粒子物理学中著名的标准模型的基础。标准模型所做出的预测不断地得到证实,有时它们准确得惊人(详见:《已知最精确的科学理论是?》)。然而,标准模型的问题在于不够简洁优雅,它需要输入19个经过精细调整的参数,而且没有人知道这样做的原因是什么。

 

而且问题还不止于此。让量子场论败下阵来的是第四种基本力——引力。我们认为引力是不可重整化的。量子场论只可部分地描绘引力在低能量时的图景,却不能扩展——它在高能区域的理论是完全没有预测价值的,因为它需要无穷多个常数。

 

3. 广义相对论

 

爱因斯坦的广义相对论是我们对引力的最好理解。质量扭曲了时空,产生了我们能够观察到的引力现象。我们已经掌握了许多与广义相对论有关的特性。它应用广泛,我们可以用它来研究宇宙的膨胀,也可以将它运用于GPS卫星的精确定位。但有时,这个概念也会失去效力。

现代物理学的两大基石

引力是最弱的基本力。当我们试图在微观尺度上解读它的影响时,它的弱便成了一个大问题。强力、弱力和电磁力之间的相互作用,都能有效地掩盖任何发现引力的机会。我们以为可能存在的引力的信使粒子——引力子,从未真的被实验探测到过。

 

在大多数时候,微小的引力无足轻重,我们可以放心地忽略它对原子行为施与的微小影响。这在现代粒子物理学中已经取得了极大的成功。量子场论是一个能对物质进行难以置信的精确描述的框架,尽管它无法与引力相容。

 

但有时我们想要在极其微弱的区域理解引力。根据大爆炸理论的预言,早期的宇宙是微小而致密的。在这种情况下,所有力都是平等的。若要模拟宇宙的发展,我们就必须弄清楚它们的相互作用。因此我们需要引力的量子理论。

 

黑洞也被神秘的谜团笼罩。这些已死亡的恒星有着如此巨大的质量,以至于能将时空挤压成一个无穷小的点。量子效应在那里开始发挥作用。简单粗暴地将广义相对论和量子力学的计算结合在一起,只会得出荒谬的结果。

 

我们对引力的理解是不完整的。对于太小的时空或太大的引力,爱因斯坦不能为我们再提供更多的信息。我们需要一种方法来调和现代物理学的两大基石——广义相对论和量子场论。一个成功的方法必须能在基础层面上修正物理学,帮助我们解决量子引力问题。

原文始发于微信公众号(原理):现代物理学的两大基石

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