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读霍金的《时间简史》有感(中)

已有 1596 次阅读 2022-7-18 14:16 |系统分类:观点评述

        作为20世纪物理学的两大支柱,广义相对论与量子力学是沿着两种完全不同的途径建立起来的,广义相对论凭借的是爱因斯坦无与伦比的物理直觉,充满着单枪匹马建立的个人英雄主义。因其带有浓厚的爱因斯坦特色——深刻、普适、唯美,被誉为经典物理的极致!而量子物理的建立过程则要曲折得多,很多时候是从经典物理学无法解释的实验现象中倒逼出来的核心概念。比如普朗克的量子,爱因斯坦的光子,玻尔的量子化能级与量子跃迁,德布罗意的物质波,海森堡的测不准原理,以及玻恩的波函数几率解释。

        以爱因斯坦为代表的老派物理学家相信宇宙只有一套完整的基本法则,各个领域中的物理定律只是这套基本法则的不同表象。因此要想找出这套基本法则,首要任务就是将广义相对论与量子力学统一起来。这无疑是一代代物理学家心目中的圣杯。

        但引力却比原本想象得要桀骜不驯的多,虽然人们最早建立了关于引力的量化模型,但引力的本质至今仍旧不完全清楚。就像有人说过的:“物理学始于引力(牛顿万有引力定律),终于引力(统一四种相互作用)。”这也容易理解,自然界目前发现有四种相互作用,其中电磁、强和弱这三种相互作用,只能作用于占宇宙总质量不到5%的普通物质,剩下的占宇宙总质量95%的暗物质和暗能量也许只能与引力发生相互作用。这不禁让我们对“万有引力”这个词肃然起敬。

        由于引力场一直未能量子化,导致物理学家们不得不抱有一种鸵鸟心态,认为广义相对论适用于大尺度的宇观世界,而量子力学适用于小尺度的微观世界,即使存在两套在数学上不相容的理论,但其适用范围的不同,导致不会产生有矛盾的交集。但天文学上对黑洞和大爆炸起点的发现使得小尺度和无限扭曲的时空产生了交集,人们不得不重新审视广义相对论和量子力学的相容性和统一问题,其中做出重要贡献的主要人物之一就是霍金。

        霍金的核心贡献在于他将经典的广义相对论与量子场论进行了有机融合,发展了弯曲时空的量子场论,打开了量子引力理论的大门。虽然这是一种逻辑上比较自然的权宜之计,但仍然展现出了强大的威力,帮助霍金推导出了他赖以成名的黑洞热力学四定律以及无边界宇宙模型。

        我们知道,虽然物理学的分支很多,但各个分支之间大都默契的遵循着类似的几条规则,比如以下例子。

        1. 关于时间反演的对称性,物理规律对于过去和未来都是一样的。

        2. 平直的时空只是作为物理系统演化发展的背景,不参与物理系统变化。

        3. 理论对于任何维数都是成立的。

        4. 满足确定性、因果律和局域性。

        但正像生物学家们常说一句话“Never say never and never say forever”(绝不说绝不,也绝不说永远)。即不管人们总结出什么样的规律,生物界里都能找出例外。同样的,在我们世界的物理规律中也存在着规则破坏者。



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