物理學中的「萬物理論」究竟意味著什麼?物理學家給出了專業解釋

2020-12-05 天文在線

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網友:你為什麼不能從字面上理解物理術語呢?難道「萬物理論」不應該被稱為某些事物的理論而非一切麼?

:在物理學上,通常被稱為「萬物理論」的東西(儘管口語化)就意味著一切事物的理論:所有物理場的統一理論,包括我們通常認為與各種形式的物質相關聯的場,以及我們通常認為是力的場,後者包括重力。原則上,如果一個人擁有「萬物理論」的方程,那麼他能從他們中推導出所有其他自然規律,包括所有物理、化學,甚至分子生物學的定律。這樣的話,一切就意味著一切。

萬物理論將是大統一理論的一大進步,大統一理論,將所有形式的物質和三個相互作用的「規範」領域統一起來:電磁力、強核力和弱核力,但不包括重力。這種理論將用一些更基本的東西取代粒子物理標準模型中相當不完美的統一,同時也解釋了一些標準模型所不能解釋的事情,比如觀察到費米子質量,或者電子和質子具有相反但在其他方面相同電荷的事實。

儘管如此,這個問題的前半部分的所暗示的斷言是相當正確的。在物理學中,確實有很多術語是不能,也不應該按字面意思理解的。例如,我曾提過的規範場論。這個名字來自於規範不變性這個術語,Eichinvarianz在德語中,意思是尺度變化下的不變性;但是後來,它的意思改變了,現在指的是各種抽象連續對稱性下的不變性,例如量子波函數複數相位的變化。

說到這個……「量子」這個詞怎麼樣呢?它最初出現的原因是這個羽翼未豐的理論是試圖解釋為什麼原子以固定單位(量子)發射或吸收能量的嘗試的一部分。這導致了許多人對量子理論的錯誤理解:認為這個理論把宏觀的東西分割成微觀的組成部分。但事實並非如此(儘管經常如此,但實際上它是一種後果)。該理論的基本內容是用不同於數字的數學實體來表示物理自由度。

因此,經常發生的是,隨著事情的變化,舊的名字會被賦予新的意義。我認為在這方面物理並不是唯一的。

萬物理論,最終理論,極限理論或主理論都是一個假設的單一的,包羅萬象的,充分解釋和聯繫宇宙所有物理方面的物理學的連貫理論框架。探索萬物理論是物理學中主要的未解決的問題之一。

在過去的幾個世紀裡,兩種理論框架共同發展起來,最接近於萬物理論。現代物理學所依賴的這兩種理論是廣義相對論和量子場論。廣義相對論是一個只關注引力的理論框架,用於理解大尺度和高質量區域的宇宙:恆星、星系、星系團等。另一方面,量子場論是一個只關注三種非引力的理論框架,它用來理解小尺度和低質量區域的宇宙:亞原子粒子、原子、分子等。量子場論成功地實現了描述三種非引力的標準模型:強、弱和電磁力。

物理學家已經通過實驗證實了這兩種理論在其適用性領域所做的每一個預測。根據他們的發現,科學家還了解到,廣義相對論和量子場論目前的表述是相互矛盾的——他們不可能都是正確的。由於廣義相對論和量子場論的適用範圍非常不相同,大多數情況下只需要使用這兩種理論中的一種。

事實證明,廣義相對論和量子場論的這種不相容性只存在於非常小的尺度(普朗克尺度)中,比如那些存在於黑洞或者宇宙初始階段(即大爆炸後的瞬間)。為了解決這種不相容性問題,必須找到一個揭示更深層次的潛在的現實理論框架,將引力與其他三種作用統一起來,將廣義相對論和量子場論的領域和諧地整合成一個無縫的整體:萬物理論是一個單一的理論,原則上,適用於描述宇宙中的所有現象。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. forbes-Consumer Tech-初夢

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