為了解弟弟的世界,我惡補狹廣義相對論、量子力學和宇宙弦理論

2021-01-08 小西天雜貨鋪
題圖:Albert Einstein

我的小弟弟今年上大學,他考入了倫斯勒理工大學(RPI)攻讀物理學。

弟弟出生在美國911的當天,從小有個綽號叫小拉登。胖胖憨憨的,很是招人喜愛。長大後變了一個模樣,一米八的大個子,時而靦腆,時而搞笑。

沒有人能看出他長大後會是怎樣的一個人,可能所有孩子都是這樣,他們的成長伴隨著父母和旁人強烈的好奇心,在朝夕相處之中,從一個人變成了另一個人。

他有1/8的日耳曼血統,這個血脈在男孩身上尤為明顯。除了白皮膚黃毛兒以外,他從小就擁有很強的時間觀念,並且生性耐力極佳。初中時全家搬回加州生活,他想在籃球上有所突破,就每天早上4點起來練一小時球。我們以為幾天就會放棄,十幾歲的孩子誰不喜歡睡個懶覺呢,他卻日復一日堅持了下來。

考大學這段時間,弟弟被西點軍校選中,邀請申請入學。學費免除,畢業後要服役3年。父親為此很是高興,西點軍校一直是他的嚮往所在,弟弟卻有不同想法。

他給出三個拒絕的理由:

作為一名和平主義者,他反戰,不希望參軍。雖然母親是美籍華人,他生下來就是美國公民,但父親是中國人,他從小在北京長大,所以不認為自己是完全的美國公民,不能採取美國人的絕對政治立場。他只希望從事科學研究,成為一個對社會和人類有用的人。弟弟決定攻讀物理學,申請了多所大學,最終入圍心儀的第一選擇,美國老牌(第一個)理工大學RPI。

作為一個文科生,對物理學一無所知的我產生了強烈的求生欲。為了能理解弟弟(未來)的世界,我必須增強自己的知識面。不然我們之間的鴻溝就不止代溝這麼簡單了……馬上訂購一本物理學的書開始惡補。

攝影師:Rakicevic Nenad

這本《宇宙的琴弦》,是由物理學家布萊恩·R·格林撰寫的一本關於宇宙弦理論的書籍。書名聽起來完全沒有存在感,以致我買書時的感覺是:宇宙弦理論 = ???= 0之所以選擇這本書,是因為此書曾在比較文學中被當作範例列舉,是一個成功把晦澀難懂的理論通過形象手法展示給讀者的典範。

對我來說,閱讀理科書籍最大的障礙在於語言。大多數書籍太過乾枯生硬,很難啃下來,鋪墊基礎知識都成問題,更別提深入了解了。

這本書不同,閱讀剛一開始,我就被徹底迷住。在最短短的時間裡,我已掌握了現代物理學的幾個基本概念:狹義相對論、廣義相對論和量子力學。這幾個基本概念的形成,讓我獲得了對宇宙、人生新維度的認知。(難道我是個天才?)

作者用極其生動的例子,讓沒有基礎的讀者一下子抓住核心,而在進入深度理論剖析時,只要聯想到他舉的例子,就能立刻理解整個剖析過程。可以說一個十二歲的孩子都能讀懂,沒有任何壓力。這些最基本的物理知識也讓我看到,一些一般人認為不可思議的、靈異的現象,在物理學家的眼裡是多麼稀鬆平常。

圖:Pixabay

圖:Pixabay

書讀到一半,覺得自己實在可笑,想去了解弟弟的世界,其實他才是引路人,帶領我去了解自己的世界,這個真正意義上被稱為「世界」的東西。

如果你也對我們的世界抱有好奇心,試著讀讀這本書。怕什麼真理無窮,進一寸有一寸的歡喜。

相關焦點

  • 量子引力理論:物理界的聖杯,量子力學、廣義相對論的結合者
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天# 系列徵文什麼是量子引力理論?量子力學和廣義相對論是物理學中兩個偉大的理論,但一個基本的概念是:這兩個理論之間是不兼容的,事實上它們分別針對於世界上兩種不同的成分:時空和物質。
  • 廣義相對論量子力學可統一了?
    本文轉自中國科學網-科技日報科技日報北京1月25日電 (記者徐玢)有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學有沒有一種理論可以統一描述引力、電磁力、弱力、強力四種基本作用力?25日,中國科學院院士、中國科學院大學副校長吳嶽良在中科院理論物理所舉行的前沿科學論壇上,提出引力量子場論。該理論打破以彎曲時空幾何為基礎的廣義相對論的局限,將廣義相對論與量子力學統一起來。相關成果發表在近日出版的國際期刊《物理評論》上。此前量子場論的建立,使狹義相對論與量子力學成功統一。
  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性,所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述,所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度,很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程,超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。
  • 當代理論物理學最艱巨的任務——將廣義相對論與量子力學完全統一
    當人們探究宏觀世界的奧秘時,只要使用廣義相對論就足夠了;而當人們探究微觀世界的奧秘時,只需要量子力學就可以了。這兩個理論在各自的領域就如同兩把萬能鑰匙,無論多麼複雜的鎖都能打開。但是,只要一涉及宇宙大爆炸奇點問題和黑洞問題的時候,不論是廣義相對論還是量子力學,仿佛都失靈了。
  • 被稱為「大一統」的超弦理論是憑什麼擊敗相對論和量子力學的?
    在過去的時間裡,我們已經能用量子力學和廣義相對論預言很多物理方面的事情。從微小的原子、分子領域到廣袤的星系、星系團,我們都能用這兩種理論工具言之一二,這也確實是很了不起的。不過隨著時間轉到21世紀,越來越多的實驗證明了,無論是量子力學還是廣義相對論都沒能達到最深層的認識。在物理領域,我們使用的理論一般也只有一種:要麼是量子力學,要麼是廣義相對論。當然也有例外的情況——黑洞的奇點,也只有這種極其特殊的環境下才可能同時用到兩種理論。
  • 弦理論真的能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    在愛因斯坦撰寫的《相對論的意義》(The Meaning of Relativity)重印版本的前言中,弦理論物理學家布賴恩格林寫道,超弦理論成功地結合了廣義相對論和量子力學。除此之外,它也有能力平等的包含電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。
  • 在未來,廣義相對論和量子力學有可能統一嗎?科學家是這樣看的
    廣義相對論和量子力學不可調和我們要想真正理解黑洞、時間的起源和空間的本質,需要在某種程度上結合廣義相對論和量子力學的理論,但是,這兩個理論在本質上似乎是不可調和的。科學家們始終相信,在未來的某一天,現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子力學一定會交融到一起。目前,廣義相對論和量子力學都分別取得了偉大的成就,但是它們看起來卻不可調和。
  • 量子力學遇上廣義相對論 「墨子號」求解世紀謎題
    這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論開展實驗檢驗,將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。物理學家的「終極夢想」描述微觀世界的量子力學和闡釋引力場的廣義相對論,是現代物理學的兩大支柱,它們在各自領域取得了巨大成功。然而,這兩大理論似乎天生是對「冤家」,無論科學家們如何努力使其融會貫通,始終不能「友好和平共處」:很多在廣義相對論框架下適用的物理規則,在量子領域就不再適用。廣義相對論和量子力學能否合二為一?
  • 廣義相對論與量子力學的未來在哪?
    提問:廣義相對論與量子力學是否需要統一呢?回答:廣義相對論與量子力學兩者皆是描述自然的。我們希望有一種對於自然的描述,它是能夠自圓其說的。這就是統一的含義:一個能自洽的理論。從實際的角度來看,這樣的統一或許是沒必要的。量子場論只在彎曲的空間背景才能被較好的運用。
  • 引力量子場論可統一廣義相對論與量子力學
    有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學?有沒有一種理論可以統一描述引力、電磁力、弱力、強力四種基本作用力?
  • 廣義相對論與量子力學的終極矛盾——黑洞奇點
    史瓦西半徑是根據廣義相對論的史瓦西解得到的一個半徑公式,用於計算光速不能逃逸的臨界半徑,科學家稱這個臨界半徑包裹的球形區域為黑洞。在尺度上它屬於微觀,然而它卻讓不確定性失效了……因此如果按照量子力學,奇點是不可能存在的,也就是量子力學不允許奇點存在,就像不允許絕對零度存在一樣。然而按照廣義相對論,奇點必然存在!那我們究竟信誰的???
  • 相對論與量子力學水火不容之際,弦理論誕生了
    水火不容的相對論與量子力學大自然的四種基本力中,相對論統一了引力,量子力學統一了電磁力、弱核力、強核力。但物理學家試圖將引力也納入量子力學時,卻得到無窮大的災難性結果。相對論和量子力學為什麼會如此的水火不相容呢?廣義相對論的核心是光滑與彎曲的幾何結構,除了在超微尺度下,時空結構都很平坦,所以廣義相對論也能用的很好。然而,當來到超微觀尺度下時,量子力學的不確定性原理和廣義相對論引力的幾何模型變得水火不容。
  • 比相對論和量子力學更深一層的弦理論是什麼
    現在物理學有一個問題沒能得到圓滿解決,那就是量子力學和廣義相對論之間的矛盾。它們之間的矛盾有是目前研究當中最困難的問題之一。廣義相對論適用於巨大的宇宙尺度。廣義相對論認為,在沒有物質的時候,空間都是平直的。
  • 【科技日報】引力量子場論可統一廣義相對論與量子力學---中國科學院
    有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學?有沒有一種理論可以統一描述引力、電磁力、弱力、強力四種基本作用力?1月25日,中國科學院院士、中國科學院大學副校長吳嶽良在中科院理論物理所舉行的前沿科學論壇上,提出引力量子場論。該理論打破以彎曲時空幾何為基礎的廣義相對論的局限,將廣義相對論與量子力學統一起來。相關成果發表在近日出版的國際期刊《物理評論》上。
  • 相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?
    並且廣義相對論還預言了引力波和黑洞的存在。這些也使得相對論成為了如今被主流學術圈所承認的主流理論。量子力學量子力學其實是由於黑體輻射的危機所導致的。當時普朗克發現,如果假設能量是連續的,理論和實驗觀測就沒有辦法擬合了。
  • 如果牛頓還活著,他能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    愛因斯坦是能夠和牛頓齊名的偉大物理學家,晚年的愛因斯坦致力於統一幾種相互作用,但是沒有完成。在他之後,幾位物理學家完成了部分統一。更為關鍵的是,牛頓的成功有著明顯的時代因素,科學發展到了他那個時代就預示著要有新的突破。牛頓是抓住了機遇的那個時代的幸運兒。
  • 廣義相對論和量子力學到底有多矛盾,我們有沒有可能將二者統一?
    牛頓發現萬有引力奠定了近代物理學的基礎,牛頓用引力描述了世界的規律以及宇宙的運行。牛頓首次解釋了地球之所以能夠圍繞太陽運動就是因為太陽擁有強大的引力。此後,在此基礎上,近代物理學進入了蓬勃發展的階段。然而,牛頓的理論並不完善,他雖然說明了引力的作用,但是卻無法解釋引力從何而來,引力的本質到底是什麼?
  • 這個新方程可以統一廣義相對論與量子力學
    R(Rosen)和P(Podolsky)則是另外兩位物理學家的首寫字母,他們與愛因斯坦在1935年共同發表了兩篇非常有意思的論文。這個公式迷人之處在於,它連接了愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。我們知道,量子力學和廣義相對論在各自領域出色的描述著我們生活的世界,它們也預言過許多聽起來有違常識的概念。
  • 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。
  • 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
    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。從而,對於力如何作用於宇宙中最小的部分進行了近一個世紀的探索。廣義相對論的邊緣理論物理學中最棘手的問題是該領域的兩次最大勝利之間的衝突。