相對論、量子力學與弦論

2021-01-21 喚醒之路


編者按:本文摘錄自潘宗光教授的《佛法與科學》,內容主要從科學角度解釋了相對論、量子力學與弦理論。方便大家體會一下當代科學發展的趨勢,從科學的角度窺一窺佛教。


潘宗光教授為前香港理工大學校長,現為香港理工大學榮休教授及榮休校長。潘教授早年畢業於香港大學,獲一級榮譽理學士學位及一級榮譽理學士深造學位。其後,亦獲英國倫敦大學哲學博士及高級理學博士學位,並在美國加州理工學院及南加州大學從事博士後研究,於2009年獲香港理工大學頒授榮譽人文博士學位。


● 宇宙的大小

隨著物理,天文及生物學的迅速發展,我們明白到地球以外有極龐大的宇宙,同時亦有細小到用任何儀器都偵察不到的微細物體。最微小的物體是基本粒子,例如電子、夸克(Quark)等,再到原子,單細胞(單細胞的生命體也非常小,一點雨水裡就包含著很多生命),到我們人類,地球,遠離地球有月亮,整個太陽系,跟著是銀河系。銀河系包括很多星體,太陽系只是整個銀河系裡的一小點。整個太空裡又有很多類似銀河系的星系組(Galaxy Group)(大概有1,000億個星系組),最後到了目前可以估計的宇宙邊緣。現在很多科學家都相信我們的宇宙(Universe)不是唯一的宇宙,而是有很多共存的多重宇宙(Multiverse)。


從最微小的電子到遙遠的大太空,若以米(meter)為單位,基本粒子,例如電子的大小是1米的10-18,而宇宙邊緣(離開地球約500億光年)是1米的1026,差距很大很大。那麼我們的地球是大還是小呢?我們生活在地球上,覺得地球非常大,但從整個宇宙來看,地球只是一粒微塵,極為微小。所以大與小是相對的概念,沒有絕對的答案。


為了探索不同空間的運作,在二十世紀初期,物理學有了翻天覆地的變化。主要是因為兩大理論的出現:相對論(Principleof Relativity)和量子力學(Quantum Mechanics)。


愛因斯坦的相對論非常成功地解釋整個宇宙的宏觀現象,包括太陽系、星系、虛空等的一切運作。而量子力學則非常成功地分析宇宙的另一極端,即最微小的粒子空間,包括原子、電子、光子等的一切現象。很多實驗都證明這兩個理論是正確的。兩個理論同時指出,在比現實環境更龐大或更細小的空間裡,唯物實在論是錯誤的。過往認為一切事物是實質的存在,或一切性質可以很準確地量度,均是錯誤的理解。


● 相對論

愛因斯坦指出質量、體積(大小)、空間、速度和時間是互相影響的,比如說,速度可以影響物質的質量、空間及時間。一切物質、空間、時間均是變量,不是實數。這是一個很重要的科學思想突破。


(1)時間的錯覺

我們常常覺得時間一秒就是一秒,一分就是一分,一個小時就是一個小時,是肯定無誤的。但事實上,這是我們錯誤的理解。比如說晚上看天上光亮的星星,我們感覺怎麼樣?星星就在這裡(頭上或在某方)是不是?其實,我們明白星星離開我們很遙遠,它發出的光以光速計算,要經過很長時間才來到我們地球。星光可能要經過十億年的時間才來到地球,那麼我們現在看到的星光其實是十億年前發出的光。等於說我們看到的星星是十億年前在某個位置,而不是現在。它現在存在於哪裡我們不知道,可能已經消失、或者已經轉移。所以,我們現在看到的那顆星星,感覺上它是在這裡,其實卻不是。它可能一萬年前在這裡、亦可能一億年前在這裡、甚至可能五十億年前在這裡。因此,我們認為是同一時間存在的東西,可能是有很大的時間差距,只是我們感覺不到而已。


又比如打雷閃電,我們先看到閃電,後聽到雷聲,但其實打雷和閃電是同一時間發生的。在天空中,雲層產生變化,同時產生了聲音和光。但光比聲音的速度快很多,因而我們先看到閃電才聽到打雷。其實,它們是同時發生的。所以,我們所看到的閃電和聽到的打雷,包含了我們對時間錯誤的感覺。


第三個例子是從愛因斯坦的相對論衍生出來的,可能會不容易明白。假如我站在某一位置,而一位朋友則坐在一輛時速120英裡的跑車上,理論上我度過了整整30秒,他只是度過了29.9999999999995秒,這個差距是非常非常細小,我們是無法感覺得到,亦無法用現有的科技測量出來,但理論上我們所度過的時間是有差距的。假如這個速度快得多,感覺就不一樣了。例如乘宇宙飛船作星際旅行,宇宙飛船以光速的87%速度飛行,時間會慢了一半。在宇宙飛船的人,他們感覺過了三年,而我們在地球已過了六年了。可惜現在還沒有這樣快的交通工具,讓我們可以親身感受。


第四個例子,我們經常用的GPS導航系統,裡面其實已經計算了時間差距,因為人造衛星的速度比我們在地面的速度快很多。當速度不同的時候,時間是有差距的。如果不調整這個差距,根本不能準確量度地面的距離,因為每天大約有十公裡的累積差異。因為調教了這個時間的差距,所以導航系統才能正確定位。


所以,時間不是實在的!時間是個動態,是無常的。速度快,時間就過得比較慢;速度慢,時間就過得比較快,這是相對的。但是我們一般人沒有想過這個問題,亦察覺不到這個差距現象。


(2)物質與空間的錯覺

習慣上,我們覺得物質是實在的,但事實上這亦是我們的誤解。以宇宙飛船很快的速度為例,宇宙飛船及在裡面的人的體積會縮小,但質量會增大。也就是說整個物質是不斷地因應速度而改變的。我們亦會發現兩個星球的距離因著宇宙飛船的速度而縮短。即整個空間的大小,也會因應活動的速度而有所改變。


理論上空間也好,物質也好,都不是實實在在,是不停改變的。只要我們有活動,質量、時間、空間就會不停地改變。但是在一般情況下我們感覺不到,因為我們現時的一切活動和交通工具無論多快,相對而言還是比較慢的,時間差距可能只有0.0000001秒,我們根本察覺不到那個差別,但不等於差距不存在,只是我們感覺或測量不到而已。所以,愛因斯坦的相對論告訴我們,速度、空間、物質和時間是互相影響,是在不停地改變的。因此愛因斯坦把空間與時間聯在一起,視為一體的「時空」概念(space-time)。


● 量子力學

量子力學的理論非常詭異,對一般人來說,是不可以理解的,但它卻被實驗證明是一個很精確的理論,而亦被應用在很多重要的科技發展上。奇妙之處在於,沒有人能夠真正認識它,連量子力學創始人之一的玻爾(Niels Bohr)都說他們都沒有搞懂。


量子力學有兩個基本原理:測不準定理(Principle of Uncertainty)及物質二重性(Dualism of Matters)。任何極微小的東西,如粒子、光子、電子等等,它們可以有兩種不同的形態出現,可以是實實在在存在而佔有空間的一微細粒點,亦可以是不佔有空間而存在的一種波(波動),能擴散到任何地方。就算是粒點,它亦沒有一固定的位置,可能在這裡又或在其他地方,至於最終出現在那裡是一種機會率,但更重要的是它的出現是受到人類意識所影響


● 弦論

我們可以明白到從微觀世界,到現實世界,再到宏觀世界所引用的科學理論是不一樣的。


相對論與量子力學雖然非常成功地解釋不同層面的大空間或微小空間的情況,但它們兩者之間也有不能協調的地方。雖然愛因斯坦窮一生的研究,希望能找出一個單一的統一理論(Unified Theory)來解釋一切時空(從最小到最大的太空),但最終都未能成功。結果,在他去世後的二十世紀後期,很多物理學家及數學家提出了一個新的理論叫弦論(String Theory)。這個弦論現在慢慢發展到更全面的M-論(M-Theory),這個理論可以解釋一切從最微小到最龐大的事物及現象,融合了相對論及量子力學。


在我解釋弦論之前,我先介紹交響樂團的演奏過程。交響樂團裡,有大提琴、中提琴、小提琴等樂器。如果每位琴手不跟樂章各自彈奏,就會雜亂無章。但是只要他們跟著指揮彈奏著同一個樂章,情況就不一樣了。當每位琴手彈一條弦時,每條弦會震動而產生一個音符,眾多互相協調的音符便會奏出非常和諧的樂曲。這個樂曲隨著樂章的旋律,慢慢改變,直到樂章完結。下次緣分到了,每位琴手又再聚在一起共奏另一首美妙的交響樂。


弦論相信世間萬事萬物的基本粒子、電子、原子、光子、夸克等等,實際上不是實在的質點,而是一種非常非常小的細絲,(是物質的最小極限,是一條細絲或是極細小的橡皮圈),物理學家稱之為「弦」(string)。這個「弦」不停地震動(vibration),震動時發出一定的頻率(frequency)及震幅(amplitude),就好像彈小提琴的弦一樣,產生特定的音符,相當於一種特定的能量。弦論家相信每一特定音符相對於某一基本粒子,如電子、光子等。而萬事萬物都是從基本粒子組成,即是從很多「弦」的不同音符組成。假如很多「弦」聚在一起,當它們震動的頻率互相沒有關係的時候,就好像各琴手不跟同一樂章各自彈自己的琴,不會產生美妙的音樂。只有他們依照樂章彈奏,互相協調、和諧共振,才會奏成悅耳的交響樂。


跟據愛因斯坦的能量(E)與質量(M)互變理論,E=MC2(C代表光的速度),當很多微小的「弦」聚集在一起,和諧共振,能量互相協調,跟著變成更大的能量,這個大能量可以以一種物質或現象的形態展現出來。換句話說,一切物質及現象都是在很多相關的「弦」在和諧共振下產生出來的不同交響樂(能量)。假如這個緣分離開了,好像交響樂演奏完畢,這些不同的「弦」就分開了,而這個物質或現象就不復存在(注一)。


總的來說,原子、電子及所有基本粒子其實不是實在的,它們只是「弦」在不同震動模式下所產生的不同物質,很多「弦」聚集在某個環境,可以產生非常大的能量。所以萬事萬物,包括你與我,都是由很多很多的「弦」在某環境條件下聚在一起,跟著某一特定的規律(樂章),產生和諧共振所組成的交響樂(更大的能量組合)。當環境條件改變了,以至消失了,這個能量所展現的形態亦會改變甚至會分散,回歸到本來的各自小能量(粒子)。


量子力學首先打破了我們對很微小物體是一實體的概念,而弦論更徹底改變了我們對物質的了解。萬事萬物是由不同的「弦」聚在一起和諧共振產生出來的。所以一切物質,都不是實實在在地存在的,只是能量的某個形態。能量能展現出一個我、展現出一棵樹、甚至展現出狂風暴雨。


要注意的是,弦論是在最近二三十年才研究出來的理論,還在發展的初階,是還未經實驗證明的學說。但是很多著名的科學家,相信弦論(以至演進中的M-論)有機會可以演變為統一理論來解釋整個宇宙的本體及其自然規律。


小總結

根據愛因斯坦的質能互變定律,相對論,量子力學及弦論,一切物質、空間與時間都不是實有和不是固定不變的。一切物質與現象都是根據一定的條件凝聚而產生出來,會跟條件改變而有所變化,當條件分散物質與現象就會轉變或消失。

相關焦點

  • 廣義相對論和狹義相對論
    相對於牛頓力學,愛因斯坦相對論顛覆性的改變在於否定了絕對時間和絕對參照物的存在,從而改變了我們對空間和時間認知的概念,即時間和空間是物質相互作用的結果,而不是物質相互作用的背景。 下面來說說廣義相對論。
  • 相對論講了什麼?相對論為什麼不能被推翻?
    在愛因斯坦生前,他就因創造了相對論而家喻戶曉。他所到之處,全世界都颳起了「愛因斯坦旋風」。但是當時的民眾對什麼是相對論並不了解。甚至是一些學術人員也是霧裡看花。有一次,愛因斯坦被邀請到加州大學演講,下面坐了一圈他的粉絲,都是大學生。大學生們就問愛因斯坦,據說相對論非常的晦澀難懂,您能不能簡單地描述一下它到底是什麼意思?
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?狹義相對論我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。廣義相對論其實狹義相對論還有質能等價的部分,說的是運動也會影響到質量和能量,不過這並不是我們這次的重點。我們先來說說廣義相對論,廣義相對論被很多人認為是描述引力的一個理論。說的是引力的本質是時空的彎曲。地球之所以會繞著太陽轉,就是因為太陽彎曲了周圍的時空。
  • 為什麼說反對相對論的人肯定不懂相對論?
    有人舉了一個例子來反對相對論,既然相對說速度越快時間越慢,速度達到光速時間就停止,那麼,光速飛船上受重傷的人豈不是可以一直活著?可以肯定地說,反對相對論人的都是不理解相對論的。愛因斯坦創立相對論至今已逾百年,經受住了一系列的嚴苛測試,成為了現代物理學的基礎之一。這麼多智力超群的物理學家都沒有反對的事情,真以為一個簡單的例子就能顛覆相對論?
  • 為什麼廣義相對論比狹義相對論更完善?原因就在這裡!
    愛因斯坦有兩大著名的相對論,一個是狹義相對論,另一個則是廣義相對論。狹義相對論的提出早於廣義,並且狹義相對論的範圍並沒有廣義那麼大,而且不涉及引力。在愛因斯坦提出狹義相對論之後不久大約10年,廣義相對論便誕生了。
  • 相對論世紀
    廣義相對論之後,愛因斯坦也過了他最具創造力的巔峰時期。然而,音樂在愛因斯坦提出相對論的創造力中是否扮演了催化劑角色,並沒有定論。又比如,倫敦大學學院科學史學家、世界公認的愛因斯坦研究專家阿瑟·I.米勒曾探討過愛因斯坦的相對論與畢卡索的立體主義繪畫之間的聯繫。
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。
  • 相對論沒有用?告訴你,相對論的應用就在我們身邊
    可是,相對論到底講了些什麼,恐怕有的朋友就不清楚了。首先來幾個名詞解釋,看不懂沒關係,後面有通俗的說法。狹義相對論:關於不存在引力的時空的理論廣義相對論:關於存在引力的時空的理論,如地球附近的時空固有時:某一物體自身經歷的時間,稱為其固有時。該物體隨身攜帶的鐘所計的時間等於就固有時。
  • 為什麼愛因斯坦的相對論沒得諾貝爾獎?是相對論的價值太低嗎?
    我們知道,愛因斯坦是一個偉大的理論物理學家,他曾因為解釋了光電效應,而獲得了1921年的諾貝爾物理學獎,但我們更加熟悉的,應該是愛因斯坦的相對論。奇怪的是,相對論卻沒有讓愛因斯坦再次得到諾獎,是因為相對論的價值不配得到諾貝爾物理學獎嗎?今天我們就來看一下。
  • 什麼是相對論?現實中有哪些與相對論有關的現象?
    」,而他最偉大的貢獻便是相對論。狹義相對論愛因斯坦的理論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論首先提出,其基礎是光速在任何參考系下都是恆定不變的。這看起來很簡單,但卻有著深遠的影響。愛因斯坦是在1905年得出這個結論的,當時的實驗證據表明,當地球繞著太陽旋轉時,光速並沒有發生變化。
  • 愛因斯坦的相對論,為何被諾貝爾獎拒之門外,難道相對論不夠資格
    提起愛因斯坦,我們首先想到的就是他的相對論!這是改變世界的偉大理論,它和量子力學組成了現代科學的兩大基石。不管在誰看來,相對論都是諾獎級別的科學理論!但是,愛因斯坦獲獎,卻不是因為相對論!而是因為光電效應!這個結果是出乎所有人意料的,誰都沒有想到,相對論竟然無法獲獎。那這是為什麼呢?
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    我們將在本文中介紹愛因斯坦如何通過物理思想的多次突破,創建起相對論特別是廣義相對論的大廈,並指出愛因斯坦是相對論的唯一創建者。1.1 狹義相對論的創建我們首先來回顧一下狹義相對論的創建。1905 年,年僅27 歲的愛因斯坦發表了《論運動物體的電動力學》一文,構建起狹義相對論的大廈。
  • 相對論是否面臨被推翻?——附推翻狹義相對論簡易教程
    相對論是否面臨被推翻?你如果說即將推翻廣義相對論我還可能舉半隻手,但推翻狹義相對論?你生活是不是有什麼不如意…為什麼會有這樣的想法……廣義相對論的困境我說推翻廣義相對論可能會舉半隻手是因為目前廣義相對論似乎確實存在問題,不說在微觀下與量子力學不和諧,就說在宇觀尺度上觀測結果也與廣義相對論不太協調,星系外圍恆星公轉速度異常和幾十億年前宇宙膨脹異常加速都是作為宇宙學基礎理論的廣義相對論無法解釋的。
  • 專訪《相對論之路》作者:最早科普相對論的正是愛因斯坦本人
    書中呈現了愛因斯坦的完整論文手稿,以及由作者進行的逐頁科普闡釋,並講述了愛因斯坦如何從狹義相對論走向廣義相對論、這一標誌性論文手稿的意義以及它如何從柏林被移送到耶魯撒冷等內容。作為希伯來大學愛因斯坦檔案館的學術主任,哈諾赫曾經手過數以萬計關於愛因斯坦的一手資料。
  • 怎樣理解狹義相對論——狹義相對論簡析
    狹義相對論主要是解決麥可遜-莫雷實驗中得到的光速各向不變的結果裡的速度疊加矛盾的。 空間簡化為一維的二維時空坐標由於時間和空間上的洛倫茲變換預示了光速是宇宙中的極限速度,所以當諸如火箭上發射火箭這樣的速度疊加不能再用經典理論裡的速度疊加,而要用狹義相對論的速度疊加
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    上篇:《相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(上)》16不存在絕對運動馬赫對愛因斯坦創立狹義相對論的影響是非常巨大的。愛因斯坦在學生時代就讀過馬赫的《力學史評》,奧林匹亞科學院(大學剛畢業的愛因斯坦和幾位朋友創建的一個以科學和哲學的交界問題為主題的學習小組。
  • 霍金理論是求解相對論!如果沒有愛因斯坦,相對論還會被發明嗎?
    首先說一下題目,相對論在認識論的角度上就是發明的!以後專門開一篇文章講解一下。其實說相對論是發現的也是正常描述,因為日常生活邏輯認為相對論是蘊藏在宇宙中的規律!而哲學界(分派別)更偏向相對論是發明出來量化世界規律的一種工具!
  • 語言學裡的「相對論」
    語言學裡的「相對論」在話題的開始之前,我先做個聲明。。。。。。嗯哼,啊!啊!啊!
  • 很多人認為相對論很深奧,如何通俗地理解愛因斯坦的相對論?
    愛因斯坦的相對論分為狹義相對論和廣義系相對論,狹義相對論適用於慣性參照系,忽略了引力的作用,而廣義相對把慣性參照系擴展到任何參照系,把慣性質量等效為引力質量!
  • 愛因斯坦的相對論那麼偉大,為什麼沒有因為相對論獲得諾貝爾獎?
    可問題就來了,愛因斯坦為什麼沒有因為他最大的科學成相對論而獲獎?1905年的愛因斯坦奇蹟年這事要從1905年說起,在這一年,愛因斯坦一口氣發表了4篇極具開創性的論文。它們分別是布朗運動、光電效應、狹義相對論、質能等價。