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如来清凉月,常游毕竟空。众生心垢净,菩提影现中。

 
 
 

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这是关于物理学的最强科普(完整版)(一)  

2016-10-22 11:39:42|  分类: 经典图文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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这是关于物理学的最强科普(完整版)(一)

 

       本文素材主要摘录自加来道雄的《Hypersapce》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。凭籍本文,回顾一下两百年来的科学史,看看那些代表着人类最高心智的数学家、物理学家们前仆后继探究宇宙本源的奇妙历程,并向他们致以最崇高的敬意!

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《Hypersapce》和《The Shape of Inner Space》

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这是一部壮丽的物理史诗,这是一串光耀后世的姓名。

他们是:牛顿,高斯,黎曼,麦克斯韦尔,爱因斯坦,杨振宁,罗摩奴詹,霍金,维藤……(且慢,最近十年,我们只能在娱乐版看到的杨老师,居然可以和那些大师比肩吗?可以的!以杨老师和他的学生命名的杨-米场,即所谓标准模型,成功地解释、整合了四种自然力中的三种)

 
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第五届索尔维会议合影

后排左起:A.皮卡尔德,E.亨利厄特,P.埃伦费斯特,Ed.赫尔岑, Th.顿德尔(德康德),E.薛定谔,E.费尔夏费尔德,W.泡利,W.海森堡,R.H.否勒,L.布里渊

中排左起:P.德拜, M.克努森,W.L.布拉格, H.A.克莱默,P.A.M狄拉克, A.H.康普顿,L.德布罗意,M.波恩,N.玻尔

前排左起:I.朗缪尔,M.普朗克,居里夫人,H.A.洛伦兹,A.爱因斯坦,P.朗之万,Ch.E.古伊,C.T.R.威尔逊,O.W.里查逊

上世纪初,一位比利时的实业家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。1911年,第一届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开,以后每3年举行一届。1927年10月,第五届索尔维会议召开,因为发轫于这次会议的A.爱因斯坦与N.玻尔两人的大辩论,这次索尔维会议被冠之以“最著名”的称号。

 

 

 

那么,这些智慧的头脑到底有多智慧?

我们普遍接受这样一个结论,即我们现存的这个宇宙起源于一次大爆炸,英文叫做“Big Bang!”1

 

STUD备注1:

在当今的科学界,支持大爆炸理论是压倒性的共识, 然而在二十世纪二十至三十年代,几乎每一个主流宇宙学家都更喜欢稳恒态理论,还有很多人指责说大爆炸理论提出的宇宙在时间上的开端是将宗教概念引入了物理学中。

稳态理论是物理宇宙学中的一个宇宙模型假说,与大爆炸理论同时出现。稳态理论假设,随着宇宙扩张,新的物质会不断产生,使宇宙符合完美宇宙学原理(Perfect Cosmological Principle)。随着越来越多的天文学与物理学证据支持大爆炸理论,稳态理论目前已经被视为是过时的假说。


但是,原子物理学家绝不可以止步在如此初级的常识上。他会告诉你,创世的刹那,是如下的演化阶段:

话说:一切,开始于10E^- 43 秒……(10的负43次方秒,也称为普朗克时间2,人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/s。请注意了,这是一个定义值,而不是一个测量值。

  

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普朗克


STUD备注2:

马克斯·普朗克是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人,和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。普朗克十分具有音乐天赋,他会钢琴、管风琴和大提琴,还上过演唱课,曾在慕尼黑学生学者歌唱协会(Akademischer Gesangverein Munchen)为多首歌曲和一部轻歌剧(1876年)作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业,而是决定学习物理。

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普朗克常数


普朗克常数记为h,是一个物理常数,用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色,马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。

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普朗克常量-内部结构模型图


言归正传,创世的刹那:

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1

创世时间表




# 10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次方)度;

 

# 10E-35秒,大一统作用力3崩解;

 

STUD备注3:

大一统理论,即统一理论(GrandUnification Theory,缩写GUT)是关于强相互作用和电弱相互作用统一的理论,希望能借由单个理论来解释强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用导致的物理现象。

根据近一个世纪的科学探索与观测,理论物理学家们由此得出了一些关于力的统一的几种假说,如标准模型说,网格说,超弦说,等等。而且,标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。

 

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大一统理论


# 10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;

 

# 10E-3秒,夸克4开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;

 

STUD备注4:

夸克(英语:quark,又译“层子”)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱。

 

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詹姆斯·乔伊斯和《芬尼根的守灵夜》



《芬尼根的守灵夜》的手稿


# 3分钟,质子与中子5开始凝聚成稳定的原子核;

 

STUD备注5:

欧内斯特·卢瑟福,新西兰著名物理学家,知名为原子核物理学之父,提出了中子和质子的概念。学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”,他荣获1908年诺贝尔化学奖。

卢瑟福属于那种“性格极为外露”的人,他总是给那些见过他的人留下深刻的印象。当他的同事评论他有不可思议的能力并总是处在科学研究的“浪尖”上时,他迅速回答道:“说的很对,为什么不这样?不管怎么说,是我制造了波浪,难道不是吗?”几乎所有的科学家都同意这一评价。

在卢瑟福培养下,他学生和助手有多人获得了诺贝尔奖。卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值——100元上面,作为国家对他最崇高的敬意和纪念。 

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新西兰货币:我制造了波浪


# 30万年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;

 

# 30亿年,第一个似星体(quasar)出现;

 

# 50亿年,第一个星系出现;

 

# 100~150亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。

 

这个时间表,是哪位大神写的科幻小说吧?NO!这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。

 

的确,表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值,没有任何一个是可以直接测量的,因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。但是,人类的心智却做到了。这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算,都有一群知名或者不知名的物理学家和数学家,他们是我们人类最智慧的大脑。

 

回到时间表的第一个事件,“十维宇宙分裂”6,这就是我们今天的主题了:超维度空间。让我们一起看看,两百年来,科学家们是如何探究世界的本源的。

 

STUD备注6:

科学家发现时空是10维的,减去我们看见的3维时空还有7个维度,这些额外的空间必须进行紧致化处理,将其卷曲成普朗克尺度,因此我们看不到这样的维度,加上1维的时间,正是我们现在看到的时空。10维超弦理论避免了量子力学与广义相对论合并时遇到的重整化问题,还在一定程度上连接了强力、弱力、电磁力以及引力四种基本力。有人认为宏观世界空间是三维的;微观世界空间是三维空心球体,也可称微观世界空间是三维的,时间是四维的,空间总计十维。

 

从一维空间到十维空间的说明:

  • 零维:点的维度;

  • 一维:线的维度;

  • 二维:面的维度;

  • 三维:立体的维度;

  • 四维:时间的维度;

  • 五维:翘曲时间的维度;

  • 六维:可能性的维度;

  • 七维:单一宇宙全部可能性的维度;

  • 八维:多重宇宙的维度;

  • 九维:翘曲多重宇宙的维度;

  • 十维:全部世界的维度(同时也是点的维度);


让我们先厘清一个重要概念:


2

维度和多维宇宙




一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所以,我们把直线或曲线叫做:一维空间;

 

一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动,所以,我们把平面或曲面叫做:二维空间;

 

一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动,所以,我们的空间叫做是:三维空间;

 

(加上时间一维,我们的世界是四维的,合称时空。在这个时空中你要准确标定一个点,需要四个数字,比如:淮海路、马当路交界,二楼,下午四点。)

 

依此类推……

 

如果,有人告诉你,多维空间(四维以上)的人,看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然,就像我们看着二维平面上的圆圈一样,你会不会大惑不解、无法想象、或者毛骨悚然?

 

当然,对于’眼见为凭’来说,这其实涉入了一个哲学难题。如果眼见才是真实的,那么高维度的对象就不是真实的。但从另一个角度来看,人不过是动物中的一种,阿米巴扁平虫只能感知二维的世界,我们如何证明我们所能感知的所谓’真实’,岂不是也受限于我们自己的认知条件?

 

必须承认的事实是:人类的大脑和眼睛,只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的,因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。



十维空间入门级视频


超弦理论认为:宇宙真正的时空,其实是一个十维的空间,其中四维是爱因斯坦的时空流形(也就是我们的日常生活空间),另外一个和它’垂直’的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法,十维空间是宇宙这座大琴的音箱,拨动这些弦造成不同的音高与音色,于是产生不同的基本粒子,进而发展出所有的物质与作用力。

 

(最新的M理论7,有别于超弦理论,认为宇宙是从十一维开始演进的。)

 

STUD备注7:

M理论:作为“物理的终极理论”而提议的理论,M理论希望能藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。其结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。为了充分了解它,爱德华·威滕博士认为需要发明新的数学工具。1984至1985年,弦理论发生第一次革命,其核心是发现“反常自由”的统一理论;1994至1995年,弦理论又发生既外向又内在的第二次革命,弦理论演变成M理论。由于弦革命的巨大影响力,其主要研究者爱德华·威滕(Edward Witten)被美国《生活》周刊评为二战后排名第六的“最有影响的人物”。

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M理论结构图


3

只有四种自然力




STUD备注8:

四种自然力与大一统:

钱德拉·塞卡的开创性工作以及霍金的深入研究表明,坍缩的恒星内部密度增加变成宇宙黑洞后,星体对外部物体的引力增大。虽然我们尚不清楚被黑洞吞噬的光,是否在这种情形下已经具有了质量,但宇宙黑洞能够吞噬一切物体的特性,却让科学家感到迷惑:是不是宇宙万物统一于能量?由此,科学家提出了有关大一统的一种猜测:即,能量赋予物体内在的和外在的运动能力,四种基本力是同源的,引力只是物体表现出来的其所蕴含的其他三种基本力的余力。

 

两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:

 

1、电磁力(electromagneticforce):包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中第2强。

 

2强核力9 (strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递)。在有效距离内,距离越大,力约大。短程力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。

 

STUD备注9:

强核力的强度与距离成反比。当两个粒子贴近时,强核力几乎消失。这种现象称作“渐进自由”。

 

3、弱核力 (weak nuclearforce):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

 

4重力10 (gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中最弱。

 

STUD备注10:

在16世纪末,人人都认为重量大的物体比重量小的物体下落得快,因为伟大的亚里士多德是这么说的。伽利略,当时在比萨大学数学系任职,他大胆挑战公众的观点,从斜塔上同时扔下一轻一重的物体,让大家看到两个物体同时落地,该实验被评为"最美物理实验"之一。


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 伽利略,当时在比萨大学数学系任职

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