把引力融合到量子力學中,這就是大一統理論,但必須先找到引力子

2020-11-22 科學信仰

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

量子力學和廣義相對論,是現代物理學的兩大支柱,共同撐起了物理學的一片天,只可惜二者格格不入。

物理學中共有四大基本力,引力、電磁力、強核力和弱核力,其中引力歸廣義相對論管,而其它的三個基本力皆由量子力學負責,看似互不幹擾,一片祥和。然而物理學家們從不滿足於這種現狀,從愛因斯坦的時代開始,科學家們就試圖將幾種基本力融合統一,創造出大一統理論。

在一開始,大一統理論的實現似乎並沒有現在這樣複雜,因為開始的時候人們並沒有發現強核力和弱核力,大家想的只是要把引力和電磁力相統一。而在引力和電磁力之中,最早被人類所發現的就是引力,而發現引力的人就是牛頓,而牛頓之所以能夠發現引力與科學家們力爭要發現大一統理論還存在著一定的關係。

關於牛頓發現引力這件事,最耳熟能詳的就是牛頓與蘋果的故事了,而這個故事的真與假其實並不重要,重要的是牛頓把蘋果落地和宇宙天體的運行統一起來看待,於是才能夠發現萬有引力。

如果不是這樣,牛頓把蘋果落地和天體運行看成兩個毫不相關的獨立事件,那麼那個蘋果肯定就白砸了。這個故事告訴我們,統一是物理學探秘的寶器,如果我們把所有事物都看成獨立事件,那麼一些規律都不會被發現,反之,當人類嘗試將越來越多的東西統一到一起的時候,宇宙的規律就會逐漸清晰,宇宙的奧秘就會逐漸顯現,所以如果人類能夠將四種基本力統一在一起,發現宇宙的大一統理論,那麼也許就能夠看清宇宙的真實樣貌了。這就是不能任由引力與其它三種基本力分而治之的原因所在。

牛頓雖然發現了萬有引力,但卻沒有發現引力傳播的介質,沒有人願意相信物質之間能夠在沒有任何介質的情況下隔空作用,於是在沒有找到傳播介質的情況下,一個虛擬的概念被引入了,那就是以太,以太被描述為一種靜止且均勻分布在宇宙中的介質,而引力通過以太發揮作用。

在引力之後,電磁力被發現了,和引力的發現過程一樣,電磁力的發現也伴隨著統一,當人們把電與磁統一起來看待的時候,就有了電磁力,此後通過觀察磁鐵周圍磁屑的分布形式,人們認識到了「場」的存在。而場的存在又會激發出傳播子,而傳播子就是力的傳播介質。以電磁力為例,它的場就是電磁場,而它的傳播子就是光子,而光子是在電磁場中被激發出來的。

場論後來幾經周折又發展成為量子場論,量子場論很好地解釋了力、場、傳播子之間的關係。

還是以電磁力為例,電子的運動造就了電磁場的存在,而電子輻射出的能量通過質能方程轉化為光子,於是電磁力、電磁場以及光子就完美地統一了。隨著強核力與弱核力的發現,為了讓量子場論自洽,規範場論被建立了,根據規範場論,電磁力的傳播介質是光子,強核力的傳播介質是子,弱核力的傳播介質是W和Z玻色子。

而光子、子以及W和Z玻色子都屬於玻色子,在這樣的背景之下,雖然人類仍然沒有發現引力的傳播介質,但大膽對引力的傳播介質進行了預言,人們認為有一種「引力子」存在,它就是引力的傳播介質,而且它也應該是一種玻色子。

提到預言中的引力子,就不得不說一說傳說中的上帝粒子。

上帝粒子也就是希格斯玻色子,它誕生於希格斯場的振動之中。由於希格斯場是一種能量場,它能夠讓一些本身不具有質量的粒子獲得能量,而能量又進一步轉化為質量,於是本不具有質量的粒子就從希格斯場中獲得了質量,弱核力的傳播介質W和Z玻色子就在此列。

所以如果引力子存在,那麼它很有可能也會從希格斯場中獲取能量,對於希格斯場與希格斯玻色子的研究也許會帶我們走近引力的本質。有朝一日,如果引力不再獨立於三大基本力之外,四種基本力能夠實現完美融合,那麼無數科學家關於大一統理論的夢想也就實現了,人類的科學水平以及對宇宙的認知也將會邁向一個新的層次。

相關焦點

  • 阻礙大一統的「引力子」,或和「上帝粒子」有關
    即便超弦理論是最理想的候選者,但卻淪為數學上的伎倆,很難被實驗證實!我強調一下:有的科學家認為大一統理論就是可以用單一現象解釋引力以外的所有力學現象。而大一統理論和引力的融合才被稱為萬有理論。從愛因斯坦青年時期開始,大一統理論就被科學家提上議程,愛因斯坦後半生為了大一統理論也算是鞠躬盡瘁了。可很遺憾,直到目前為止,我們都未實現愛因斯坦的夙願。
  • 引力量子—邁向「大一統理論」的關鍵一步
    宇宙中所有的基本力都遵循量子力學定律,只有一個例外:引力。找到一種將引力納入量子力學的方法,將使科學家們向「萬物理論」邁進一大步。「萬物理論」可以從基本原理出發,全面解釋宇宙的運行。在探索引力是否是量子的過程中,至關重要的第一步是檢測長期假設的基本引力粒子——引力子。
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    我們先來思考一個問題,引力的相互作用是不是瞬間產生的?也就是說不管距離有多遠,只要質量發生變化,引力的大小也會立即跟著發生變化,那這到底對不對呢?可是量子力學又與廣義相對論是矛盾的,那難道是我們宇宙中有兩套物理法則嗎?
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    我們先來思考一個問題,引力的相互作用是不是瞬間產生的?也就是說不管距離有多遠,只要質量發生變化,引力的大小也會立即跟著發生變化,那這到底對不對呢?愛因斯坦在1916年和1918年分別發表了兩篇論文,預言了引力波的存在,這一套理論就是愛因斯坦著名的廣義相對論,那在一百年之後呢,也就是2016年2月11日,地球上最大的引力波探測器ligo正式宣布引力波被找到了,至此我們似乎已經完全解開了所有引力的秘密,那引力波就應該是萬有引力作用的機理了,但是等一等,好像還有一個什麼問題我們沒有解答清楚,這一套理論用在宏觀世界似乎非常有,到底但是在微觀世界呢
  • 萬物理論的最後一塊拼圖?將引力與量子力學統一,連愛因斯坦都沒有...
    原始宇宙是引力波的另一個來源,如果引力波能被探測到,那麼這個發現就能幫助物理學家設計出一種量子引力理論。宇宙中所有的基本力都遵循量子力學的定律,除了引力。找到一種將引力融入量子力學的方法,將使科學家向「萬物理論」邁進一大步。「萬物理論」可以從基本原理上完全解釋宇宙的運行。在探索引力是否為量子的過程中,關鍵的第一步是探測長期以來假設的引力基本粒子,引力子。
  • 大一統理論真的存在嗎?
    大一統理論,有可能明天就被發現,也可能永遠不會出現。我們先來看看大一統理論的基礎是什麼。大一統理論,事實上就是將宇宙中的四大基本力完全統一的理論。宇宙中的所有力,都可以分為——萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。
  • 引力的本質到底是什麼?引力子的質量可能等於零
    眾所周知,在自然界中存在四種基本力,從發現的先後順序排列分別是:萬有引力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力,根據量子場論的理論,電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力這三種基本力都是通過載力粒子的交換實現的,也就說這三種基本是通過粒子交換的形式產生的,我們把這三種基本力的載力粒子稱為:傳播子。
  • 什麼是量子引力理論?
    但粒子物理標準模型卻無法描述引力,引力一直無法被統一起來。目前描述引力最為精確的理論是愛因斯坦創立的廣義相對論,這個理論已經得到了包括引力波在內的等諸多宇宙現象的支持。目前,物理學家所要做的是就是要把四種基本力結合在一起,創立一種能夠描述一切的大統一模型。量子引力理論就是這樣一種理論,它想要把廣義相對論量子化,進而統一包括引力在內的四種基本力。
  • 雷射幹涉引力波天文臺能探測量子引力嗎?
    在做出這個預言的一個世紀後,雷射幹涉引力波天文臺團隊宣布他們首次直接探測到引力波。但這只是一個開始—我們期待更多的發現,這些將以前所未有的準確度驗證愛因斯坦的理論。這,如果有的話,對科學家為尋找量子引力的理論—仍缺失的廣義相對論和量子力學的組合—而付出的努力來說意味著什麼?
  • 關於引力的本質和引力子是否存在和量子糾纏現象的原因
    我們先來做一個數學證明,證明0.99循環等於1,先設0.99循環等於x則滿足10x=9+x解得x=1,ok我們先拋開這個問題,我們來思考一個有趣的現象,我們這個宇宙的物質,要麼只具有的靜質量要麼只有動質量要麼具有靜質量卻不是完全光速,我們先來想像一下假如說你同時具有靜動兩種質量狀態,加上空間就是時間那麼你就具有了兩條時間軸,這就是五維空間!
  • 引力是如何產生的,人類能夠解釋引力嗎?
    引力其實是一個非常神秘的基本力,因為引力實在是太小了,我們每天從桌子上拿起手機,就能夠輕輕鬆鬆對抗整個地球產生的引力。而引力也是當今物理學非常難以統一的力,量子力學甚至到現在都無法解釋引力為何存在。
  • 其他三種力可以用量子力學解釋,為什麼引力卻不能?
    與其他力相比,引力的強度出奇的微弱,而且它只能讓物體互相吸引,而不能讓物體互相排斥。其二,其他三種力都可以用量子力學來解釋,唯獨引力卻不能用量子力學來解釋。關於引力為什麼這麼弱,沒有什麼權威的解釋,唯一能含糊其辭、堂而皇之說得通的理由是:它必須這麼弱,否則我們就不可能存在了!
  • 引力是如何產生的人類能夠解釋引力嗎
    引力其實是一個非常神秘的基本力,因為引力實在是太小了,我們每天從桌子上拿起手機,就能夠輕輕鬆鬆對抗整個地球產生的引力。  而引力也是當今物理學非常難以統一的力,量子力學甚至到現在都無法解釋引力為何存在。
  • 引力的本質是什麼?愛因斯坦和牛頓誰更正確?
    存在矛盾,這就足以證明人類的理論是不完備的,因此在量子力學中,代入了「引力子」的概念,認為引力的本質是一種傳遞引力的基本粒子,從宏觀來看,引力是時空的彎曲,但是從微觀來看,引力的產仍然生是各種粒子運動後產生的結果。
  • 超弦理論為什麼能輕易解決量子力學無法解決的引力問題?
    如果你了解什麼是超弦理論,你會感嘆到它的框架是那樣的迷人(也可以在最下方查看我的其它文章),但更吸引人的地方還在於超弦理論能緩和引力與量子力學之間的對立。我們都知道廣義相對論和量子力學是不共戴天的,廣義相對論講述的是時間和空間體系,而量子力學卻說世間萬物都在被量子觸摸。
  • 什麼是量子引力理論?廣義相對論與量子力學的結合,未解之謎
    引力雖然是人類認識到的第一個基本力,但人們卻對其了解最少。物理學家可以精確地預測引力對恆星和行星的影響,但是沒人知道力如何與微小粒子或量子相互作用。因此,人們寄希望於一個引力規則控制所有星系,夸克及其之間所有事物的簡單期望推動了量子引力理論。
  • 量子力學與廣義相對論以及弦理論
    現代物理學有兩大基石,量子力學與廣義相對論,那麼在這其中,量子力學是用來解釋微觀世界的理論。量子力學的法則支配著微觀世界的原子和基本粒子的行為,想知道電子光子等基本粒子如何運動,以及它們與什麼樣的力發生相互作用的話,就必須要用到量子力學。
  • 真的存在引力子嗎?我們有可能找到引力子嗎?
    我們的引力理論是經典的:廣義相對論。但是,從理論上講,應該有一個量子對應物,由一個稱為引力子的假設量子粒子介導。只有,我們能找出引力子是否確實存在嗎?無論從實驗還是觀察上,我們都不知道引力是否本質上是量子的。如果是這樣,我們將在有方法進行測試和驗證後立即接受它。這就是為什麼這可能沒有您最初想像的那麼不可能。
  • 引力為什麼不能被量子化?萬物理論何時出現?
    上邊這張截圖看著內容很簡單,但是卻包含了宇宙中最基本的幾個問題,宇宙中的物質基本組成是什麼?四大基本作用力中的電磁力、強力、弱力的機制或者說作用方式是什麼?上邊的內容讓多位科學家獲得諾貝爾獎,這就是粒子物理標準模型,建立在楊振寧和和米爾斯共同提出的非阿貝爾規範場理論之上。
  • 引力是空間彎曲的幾何效應,為何科學家還要尋找引力子?
    引力子是量子力學的產物,相對論和量子力學本身就存在衝突,所以尋找引力子成為調和量子力學和相對論力學的途徑之一。物理學中一共有四大基本力——強力、弱力、電磁力和萬有引力;其中引力最先被發現,後來麥克斯韋把電和磁統一到了電磁理論中,四大基本作用力主宰著我們世界微觀到宏觀的一切,但是又存在明顯差異。愛因斯坦的相對論在描述宏觀世界時非常成功,尤其是廣義相對論把引力描述為空間的幾何效應,解決了天體物理學的眾多難題;愛因斯坦受此啟發,也試圖把電磁力幾何化,但是沒有成功。