霍金的接任者,一個是弦理論的開創者之一,一個研究軟物質

2021-01-05 材料的基因

大師離去

史蒂芬·威廉·霍金2018年3月14日去世,享年76歲。霍金出生於英國牛津,英國劍橋大學著名物理學家,現代最偉大的物理學家之一、20世紀享有國際盛譽的偉人之一。大師的離去是我們的損失,向大師致敬!

霍金21歲時患上肌肉萎縮性側索硬化症(盧伽雷氏症),全身癱瘓,不能言語,這個病其實就是之前「冰桶挑戰」呼籲大家關注的「漸凍症」。霍金從一開始難以動彈,到後來話也不能說只有三根手指可以活動,最後甚至手指的力量也太小,只能通過臉部肌肉來輸入信號打字。霍金能以殘疾之身取得如此巨大的成功,與他樂觀、堅強的人生態度是離不開的,值得我們所有人學習。

「盧卡斯」數學教授

科學史上一些最偉大的人物都曾獲得這一頭銜,其中包括無人不知的發現萬有定理的牛頓,電腦先驅查爾斯·巴貝奇,量子力學奠基者之一的狄拉克,生物流體力學奠基人詹姆斯·賴特希爾爵士等。霍金正是劍橋大學1979至2009年的「盧卡斯」數學教授!

霍金主要研究領域是宇宙論和黑洞,證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型,在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。盧卡斯數學教授霍金當之無愧!並且為這個頭銜增加更多的榮譽!那接任霍金盧卡斯數學教授的是什麼人呢?

弦理論的開創者之一,麥可·格林

2009年,霍金離職盧卡斯數學教授之後,接任他的是麥可·格林。格林與約翰·施瓦茨經過多年合作,他們共同發現了Ⅰ型弦理論中的反常相消現象,後來被稱為格林-施瓦茨機制,引發了第一次超弦革命。格林還研究了弦論中的狄利克雷邊界條件,他的結果導致了D膜和瞬子解的提出。如果弦理論是正確的,那麼就可能存在平行宇宙!

圖片來自維基百科

較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣為接受的物理模型,也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題,但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來,弦理論的基礎是波動模型,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測。

但是弦理論現在還沒有得到證實,原因簡單來說就是弦太小了,小到我們現在的粒子對撞機還看不到。但是弦理論在數學上是很美麗的,研究發現所有的粒子(含反粒子),如正反夸克,正反電子(電子、正電子),正反中微子等等,以及四種基本作用力粒子(膠子、中間玻色子、光子、引力子),都能用類似方法表示成一小段的不停振動的能量弦線,而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線的長度、振動參數和形狀的不同而已。因此弦理論很可能成長為大一統理論,至於弦理論能否成功解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙,這還是未知數。

弦理論中宇宙大爆炸

弦理論的大爆炸大家可以去看文章:The Start of the Universe with String Theory(上圖來源)

簡單地說就是相互碰撞時產生的巨大能量產生了宇宙大爆炸,碰撞之後並不會合在一起,而是會分開。而根據美國物理學家組織網2011年12月15日的報導日本科學家的研究成果顯示弦理論能夠很好地解釋大爆炸。

日本大阪大學等多家機構組成的一個聯合研究小組,用一種名為IIB的矩陣模型構建了一個非擾動的(9+1)維超弦理論公式,描述了宇宙一些屬性及其最初誕生的過程。在超級計算機上運行2個月後,最終顯示出宇宙自然地向3個方向膨脹,而其他6個維度仍緊緊地包裹在一起,正像弦理論一直以來所預測的那樣。

現任「盧卡斯」數學教授,研究「軟物質」

自從2015年麥可·格林卸任,麥可·卡茨成為了現任的「盧卡斯」數學教授。獲得諸多獎項:馬克士威獎, 保羅狄拉克獎章, Bingham Medal。Cates教授主要研究領域是軟物質的流動。他說:

科學家面臨的一個重大挑戰是了解這些材料如何流動。許多流體行為介於液體和固體之間,表現出所謂的「屈服應力」。這意味著在弱力作用下,可以看到類似固體的反應(一團剃鬚泡沫不會在自己的重量下坍塌到一個水坑裡。),當被推得更硬時,就會看到類似液體的反應(在手指之間摩擦時,同樣一團物質幾乎沒有阻力)。

圖片來自麥可·卡茨教授課題組網頁

軟物質(soft matter)是指處於固體和理想流體之間的物質。又稱軟凝聚態物質。一般由大分子或基團組成,包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命體系物質(如DNA、細胞、體液、蛋白質)等。在自然界、生命體、日常生活和生產中廣泛存在。隨處可見的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、塗料、化妝品、食品等都屬於軟物質。

軟物質的行為不能或很難從其原子或分子組分來預言。原因是軟物質常通過自組織呈現為介觀(納米甚至微米尺度)物理結構,尺度遠遠大於微觀尺度(原子或分子的空間排布),同時又遠小於宏觀尺度。軟物質的介觀結構上的性質和相互作用在很大程度上決定其宏觀行為。現在軟物質研究是前沿課題,中國在此領域的世界影響力還需要加強。

麥可·卡茨教授研究範圍還包括細胞等,通過對軟物質的研究,相信介觀層面上的許多謎團會慢慢解開。而我們也可以在這些研究成果上,通過模擬的方法就發現許多新的結構和應用,到時必定會發開發出許多新材料形成一些新興產業!

最後霍金兩句名言與大家共勉:

「我注意過,即便是那些聲稱一切都是命中注定的而且我們無力改變的人,在過馬路之前都會左右看。」「我的目標很簡單,就是把宇宙整個明白--它為何如此,它為何存在。」

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