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物理学史科普

——史上最全的物理学科普



来历:中科院物理所(ID:cas-iop)

本文资料首要摘录自加来道雄的《Hypersapce》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。

作者期望凭籍本文,回忆一下两百年来的科学史,看看那些代表着人类最高心智的数学家、物理学家们前仆后继探求国际根源的美妙进程,并向他们致以最崇高的敬意!

这是一部绚丽的物理史诗,这是一串光耀后世的名字。

他们是:牛顿,高斯,黎曼,麦克斯韦尔,爱因斯坦,杨振宁,罗摩奴詹,霍金,维藤……

(且慢,最近十年,咱们只能在娱乐版看到的杨教师,居然能够和那些大师比肩吗?能够的!以杨教师和他的学生命名的杨-米场,即所谓规范模型,成功地解说、整合了四种天然力中的三种。)

那么,这些才智的脑筋究竟有多才智?

咱们遍及承受这样一个定论,即咱们现存的这个国际来源于一次大爆破,英文叫做Big Bang!

可是,原子物理学家绝不行以停步在如此初级的常识上。他会通知你,创世的片刻,是如下的演化阶段:

话说:悉数,开端于10E^- 43 秒……(10的负43次方秒,也称为普朗克时刻,人类已知的最小时刻存在。普朗克时刻=普朗克长度/光速。

光速界说值:c=299792458m/s=299792.458km/s。

请注意了,这是一个界说值,而不是一个丈量值。

言归正传,创世的片刻:



1、创世时刻表

# 10E-43秒,十维国际割裂成一个四维国际和一个六维国际。六维国际溃散,缩成10E-32公尺。四维国际(咱们今日地点的国际)则敏捷爆破,此刻的温度高达10E32(10的32次方)度;

# 10E-35秒,大一统效果力崩解;

# 10E-9秒,电弱对称崩解,此刻的温度是10E15度;

# 10E-3秒,夸克开端凝集,中子与质子呈现,此刻的温度是10E14度;

# 3分钟,质子与中子开端凝集成安稳的原子核;

# 30万年,电子开端凝集在原子核周围,榜首个原子呈现;

# 30亿年,榜首个似星体(quasar)呈现;

# 50亿年,榜首个星系呈现;

# 100~150亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上呈现了榜首个生命。

这个时刻表,是哪位大神写的科幻小说吧?NO!这是现在现已成为许多科学家遍及一致的创世时刻表。

确实,表中所述的那个数量级上的时刻、长度、温度等等悉数的数值,没有任何一个是能够直接丈量的,由于现在咱们人类的技能和东西水平,还远远不能企及到那个数量级。

可是,人类的心智却做到了。

这个时刻表里面的每一个数字的背面,都是一堆紧密的公式和演算,都有一群闻名或许不闻名的物理学家和数学家,他们是咱们人类最才智的大脑。

回到时刻表的榜首个事情,“十维国际割裂”,这便是咱们今日的主题了:超维度空间。

让咱们一同看看,两百年来,科学家们是怎样探求国际的根源的。

让咱们先厘清一个重要概念:

2、维度和多维国际

  • 一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动,所以,咱们把直线或曲线叫做:一维空间;
  • 一只阿米巴扁平虫能够在球面上前后左右移动,所以,咱们把平面或曲面叫做:二维空间;
  • 一只鸟在咱们的空间能够上下前后左右移动,所以,咱们的空间叫做是:三维空间;
  • 加上时刻一维,咱们的国际是四维的,合称时空。在这个时空中你要准确标定一个点,需求四个数字,比如:淮海路、马当路接壤,二楼,下午四点。

依此类推……

假设,有人通知你,多维空间(四维以上)的人,看着咱们的保险柜或房子时底子便是表里一望而知,就像咱们看着二维平面上的圆圈相同,你会不会大惑不解、无法幻想、或许毛骨悚然?

当然,关于“目睹为凭”来说,这其实涉入了一个哲学难题。

假设目睹才是真实的,那么高维度的目标就不是真实的。

但从另一个视点来看,人不过是动物中的一种,阿米巴扁平虫只能感知二维的国际,咱们怎样证明咱们所能感知的所谓“真实”,岂不是也受限于咱们自己的认知条件?

有必要供认的事实是:人类的大脑和眼睛,仅仅为了敷衍三维空间和四维时空的各种状况演化出来的,因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的才干。

超弦理论认为:国际真实的时空,其实是一个十维的空间,其间四维是爱因斯坦的时空流形(也便是咱们的日常日子空间),别的一个和它’笔直’的还有一个很小很小的六维流形。

在这个十维空间中,有一种最小单位的弦纵横其间。

以类比的说法,十维空间是国际这座大琴的音箱,拨动这些弦构成不同的音高与音色,所以发生不同的底子粒子,从而开展出悉数的物质与效果力。(最新的M理论,有别于超弦理论,认为国际是从十一维开端演进的。)

3、只需四种天然力

两千年来,科学家现已发现咱们国际的悉数现象,都能够简化成四个效果力:

1、电磁力(electromagneticforce):包含电力、磁力和光自身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,间隔成反比。长程力,在四种力中第2强。

2、强核力 (strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(捆绑质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递)。在有用间隔内,间隔越大,力越大。短程力,在四种力中最强,也是恒星焚烧能量的天然力,氢弹的爆破正是运用强核力的原理。

3、弱核力 (weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形状,是构成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,效果在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

4、重力 (gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,间隔成反比。长程力,在四种力中最弱。

4、为何要一致天然力?

一旦人类将悉数的效果力整组成一个超效果力,这时会有什么打破。关于这一点,物理学家Paul Davies写到:

“咱们能够改动时空的结构,了解国际万物的来龙去脉,让物质变得有条有理。操控超效果力后,咱们便能恣意地组合与改动粒子,制作出史无前例的物质形状。咱们乃至能左右空间的维度数,制作出具有难以想象特点的人工国际。咱们将成为国际的操纵。”

回看一下人类把握“力”的前史:

  • 人类诞生的前史超越数千万年,在99.99%时刻里,人类能够把握的能量仅仅双手和肌肉的力气,大约只需八分之一马力;
  • 十万年前,跟着手持东西的创造,人类的能量输出倍增,抵达一又四分之一马力;
  • 牛顿发现万有引力和运动规律,让力学被简化成头头是道的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类把握的能量抵达数十到数百马力;
  • 麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等创造家,人类进入电力时代,能量级数取得腾跃,极大地改动了人们的日子。
  • 爱因斯坦的相对论为人类翻开了核能运用的时代,人类把握的能量前进到满足炸毁自己所寓居的行星的程度。

前史地看,每逢人类操控一项天然力,都能大幅前进人类所能把握的能量,让整个社会面目一新。(那么,未来的人类需求多大的能量?10E 20亿电子伏特起步,超越了现在的一千亿倍。不然,咱们将无法使空间曲折,处理飞翔到悠远星际的难题;或许,在国际溃散的瞬间,有满足的能量翻开六维国际,逃离消亡的劫难。)

下面,就让咱们依照时刻次序,回忆一下人类整合四种天然力的进程:

(本文尽管触及许多专有词汇,但咱们尽量直白描绘。了解这些长辈的巨大思维其实不难,并不需求多少通俗的专业常识,只需:一点常识+一点逻辑+一点耐性。)

榜首个走进这段物理史诗的,是一位数学家:黎曼。

5、黎曼,支撑爱因斯坦的伟人

牛顿从前说:“假设说我比他人看得更远些,那是由于我站在了伟人的肩上”。依照牛顿的这种说法,黎曼毫无疑问正是支撑起爱因斯坦的那个伟人。

一八五四年六月十日,一套新的几许学诞生了。黎曼在德国哥廷根大学宣布了闻名的讲演,完全撼动了两千年来从未被不坚定过的欧几里德几许学。

黎曼是位数学奇才,高中时期只用戋戋六天时刻完全吸收了《数论》(Theory of Number),那是一部八百五十九页的艰涩巨作。

黎曼应战希腊几许学,认为纵然欧几里德的数学运算极为准确,它的根基却仅仅常识与直觉的流沙,而不是厚实的逻辑推演成果。

比如,欧式几许说三角形三个内角之和等于一百八十度,但这个看似简略的问题,在数学史上却从来没有被紧密证明过!并且,假设咱们身处曲折表面的国际,这个公式就不成立了。

(行文至此,咱们有必要向欧几里德先生表达诚挚的敬意!每次想到他老人家两千多年前写就的《几许本来》至今仍然是全国际的中学讲义,我就毛骨悚然!那些至今未被紧密证明过的正义,一个日子于公元前300年的希腊人是怎样发现的呐?假设这个国际有“神迹”,欧先生名副其实是其间之一!)

说回到黎曼,他的研讨范畴乃至延伸到电学,他认为电力与磁力实践上是同一种效果力的不同表象。据此他开展出效果力新解,作出了牛顿两百年以降的初次划时代严重打破,完全推翻了牛顿的超距效果准则,他认为:效果力源自于几许学,效果力仅仅由于几许结构歪曲所构成的必定现象。(牛顿以降,科学界认为效果力是一种两个遥距物体的即时交互效果,一个物体能够即时影响间隔一段间隔的其他物体的运动。

咱们总结一下黎曼的巨大之处:

1、他以多维空间理论简化了悉数天然效果力;认为电力与磁力和重力相同,仅仅高维空间曲折发生的成果。

2、他提出了虫洞(warmholes)的概念,黎曼切断是多重连接空间的一个最简略典范。

3、他以“场”来描绘重力,以“衡量张量”(Riemann metric tensor)描绘空间里每一个点的重力场。(所谓“衡量张量”,其实便是一组数字,相似坐标。)

黎曼英年早逝,并未找出电力与磁力的场方程式,也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描绘不同的效果力,这几项重要开展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。

6、狭义相对论,光速稳定⇒ E=mc²

咱们赞许阳光!它不只孕育了的生命,一同也照亮了人类的思维。爱因斯坦,是那个御光飞翔、穿越时空的人。

爱因斯坦小时分,常以简略问题自问自答:“假设你追上一束光线,它看起来是什么姿态?你会不会看到一束停止的光波,冻结在时刻中?”这个问题,让他在后五十年里,带领人类走进了时空奥妙之旅。

十六岁时,爱因斯坦发现国际上好像并没有能够追上光速的东西。二十六岁时,他用紧密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职工的他,用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论(special relativity)。

用一句话归纳狭义相对论,那便是:光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼,但确是人类心灵的最巨大成就之一!

爱因斯坦指出,不管咱们怎样加快,不管咱们自身的速度怎样,人们所能丈量的光速是相同的。

关于这必定论,爱因斯坦给出了超逸凡俗的解说,他认为:导致这个成果的原因是:时刻变慢了!(这是惊天动地的一句)也便是说,咱们移动的越快,咱们的时钟就走得越慢,咱们的量尺也越短,所以,咱们丈量的光速是不变的。

爱因斯坦进一步考虑:那么,简直悉数的物体都有必要运用时钟与量尺来丈量,已然时刻和量尺都是改变的,所以咱们有必要校对悉数的物理量(quantity),所以他导出了下一个严重的定论:质量是从能量来的。

这个定论,一举推翻了十九世纪的两大物理发现:质量守恒和能量守恒。自此以后,质量与能量被视为单一单位:质-能(matter-energy)。

二十六岁的爱因斯坦一同给出了质能改变的方程式,那便是闻名的E=mc²。

让咱们再来寻觅一下狭义相对论的推导进程:

光速稳定?时刻变慢?质量不稳定?“质量-能量”彼此转化E=mc²

侠义相对论,一致了“时-空”,也一致了“质-能”。

一致了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦,进一步考虑“时空”与“质能”之间的联系,也便是狭义相对论所疏忽的加快度,还有重力。

这导致了他的下一个巨大成就:广义相对论。

7、广义相对论,空间是曲折的⇒力学=几许学

再次,爱因斯坦由一个简略问题开端:“假设一个人处于自由落体状况,他就不会感觉到自己的体重?”爱因斯坦透过这个简略问题把握了重力的底子特性:在加快度架构下的天然律和重力场的规律是相同的。这便是所谓等效原理(equivalence principle)。

透过等效原理,爱因斯坦从头考虑关于光速的问题:光速会受重力影响吗?答案是必定的,重力场会歪曲光线的行进路线。

可是!可是,依据费玛最短时刻原理,光线会采纳两点之间的最短时刻途径,爱因斯坦再次得出一个令人震撼的定论:假设咱们能够观测到光线以曲线行进,那就意味着空间自身是曲折的!(光以曲线行进这一猜测,现已被后人的许多次试验重复证明。)



巨大的爱因斯坦进一步得出定论:质能的存在构成周围时空的曲折。

咱们前面讲过,数学家黎曼早在一八五四年就提出了效果力与空间曲折的联系,并提出了重力场论。爱因斯坦运用黎曼的研讨成果,用数学办法表达了他自己的物理学新发现,这便是广义相对论(general relativity)。

让咱们再来寻觅一下广义相对论的推导进程:

光线以曲线行进+光线走两点间最短时刻途径⇒空间是曲折的⇒“质-能”构成“时-空”曲折⇒力学=几许学

爱因斯坦的巨大,停步于他的第三次测验。

在狭义和广义相对论之后,他终其一生研讨一致场论(unified field theory ),简略说,便是企图寻觅一个公式,能够一同描绘光与重力。惋惜,他毕竟没有成功。

对这一问题给出答案的,是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家,他们的理论咱们称之为“克鲁查-克莱因理论”,简略说,这个理论便是:在五维空间里,将光与重力的理论一致了起来。

可是,第五维究竟在哪里?克鲁查说:第五维现已崩解成一个圆圈,它的体积真实太小了,连原子都装不下,因此也无法丈量。一九二六年,克莱因乃至计算出第五维的标准只需10E-33公分(10的负33次方),而勘探如此细小间隔所需求的能量也便是是所谓蒲朗克能量(Planck energy),适当于10E 20亿电子伏特,百万兆倍于质子蕴藏的能量。

克鲁查-克莱因理论在其时并未收到广泛重视和遍及认同,领一时习尚之先的是另一套全新的理论:量子力学(quantum mechanics)(码了这么多字,原子物理学家总算上台了!)

8、量子力学,整合了三种天然彼此效果力

一九二五年,以薛丁格(Erwin Schr?dinger)和海森堡(Werner Heisenberg)为代表的一组科学家,现已对原子运动给出了几近完好的数学描绘,咱们称之为量子力学。

这是一套与黎曼、爱因斯坦学说悬殊的解说天然力的理论,它的首要理论观念包含:

1、效果力是由于不接连的能量包交流而发生(也便是量子:quanta);

2、不同的效果力的发生来自于不同量子的交流;

3、咱们永久无法一同知道次原子粒子的速度及其方位;

这便是闻名的海森堡测禁绝定理,这个听起来不怎样靠谱的定理,却是半个世纪以来最经得起任何试验应战的一个定理,至今,还没有任何一个试验成果违背了这一条定理。

所谓次原子粒子:便是比原子还要细小的粒子。海森堡测禁绝规律在哲学上的含义在于,它从物质构成的最底层,将悉数事物的发生和构成,都解说为机率的一个体现,而不是一个必定的成果!换句话说,便是没有所谓客观存在,也没有所谓必定成果。这一条,完全撼动了唯物主义的柱石。

4、粒子有或许以有限机率进行穿隧或量子跳动,并穿越不行渗透的障碍物。

听起来各种不靠谱是吗?可是!这个理论不只重复被试验证明,并且人们乃至依据该理论制作出了隧道二极管(tunnel diode,或称江崎二极管)。

量子力学以光子(也便是光的量子)为例,认为弱效果力和强效果力是源于能量量子的交流,并称之为“杨-米场”,这是杨振宁和他的学生米尔斯于一九五四年发现的理论。

你造吗?杨教师年青的时分有多牛逼!到一九七O时代,杨-米场现已能够解开悉数核子物质的隐秘,能够解说有关于次原子粒子的任何试验数据。在解说电子与光的交互效果时,其准确度抵达千万分之一,号称是有史以来最准确的理论。科学界对这个理论如此有决心,以至于称之为“规范模型”(Standard Model)。

量子力学经过五十年的开展,成功地整合了四种天然效果力的三种:强效果力+弱效果力+电磁力。可是,包含杨振宁自己在内的许多科学家都认为,规范模型必定不是毕竟的大一统理论,首要原因是该模型并不包含重力!

前史地看,能够这么说:量子力学仅仅依据次原子粒子的部分表面特性做了收拾,却未对它们的来历做出任何阐明。

9、超重力论,在十一维空间统合四种效果力

统合量子理论和重力,以创造出一个“万有理论”(Theory of Everything),这个问题波折了二十世纪最聪明的心智,包含爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎和大碗,但均不行得。

一九七六年,纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。简略说,这个理论对黎曼的“衡量张量”模型进行研讨,简直完结了爱因斯坦统合已知效果力的愿望。

他们发现,在一个十一维的衡量张量模型里,包含了天然界里简直悉数的粒子与效果力:爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。如图所示:



(图中的括弧,代表一个十一维的黎曼衡量张量场。假设把它简化成四维,便是爱因斯坦的重力场;前进它的维度数,咱们就能够推导出麦克斯韦尔方程组和规范化模型;毕竟,在十一维度,统合了代表四种效果力的悉数方程组。)

超重力理论尽管在模型上统合了四种效果力,但它的缺点在于在许多要害节点上没有详细量化的数学模型和公式。所以只能成为迈向国际一致理论渐渐征途上的一块铺路石。新的,也是最强壮有力的物理学方案现已上台,它便是:超弦理论(Superstring Theory)。

10、超弦,统合悉数效果力和天然律

一九六八年,超弦理论被意外发现。其时,两位年青的理论物理学家在欧洲核子研讨中心(CERN)意外发现十九世纪数学家尤拉完结的尤拉贝塔函数(Euler beta funcation)居然契合简直悉数描绘底子粒子强交互效果所需的悉数特质。

什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻觅一致场论,即一个能在独自的一应俱全的数学结构下描绘天然界悉数力的理论。他巴望以前人从未成功抵达过的明晰来提醒国际活动的奥妙,由此而展现的天然界的动听美丽和高雅。

现在,适当一部分物理学家信任他们总算发现了一个结构,有或许把这些常识缝组成一个无缝的全体:一个单一的理论,一个能描绘悉数现象的理论,这便是弦论。它正在完结当年爱因斯坦满怀热心寻求的一致理论的抱负。

弦论能够用来描绘引力和悉数底子粒子。它的一个底子观念便是天然界的底子单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实践上都是很小很小的一维弦的不同振荡形式,正如小提琴上的弦。

弦理论中的国际弦(咱们把弦论中的弦称作超弦,以免与一般的弦混杂)能够作某些形式的振荡。每种振荡形式都对应有特别的共振频率和波长。悉数的底子粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等,都是国际弦的不同振荡形式或振荡激发态。

每条国际弦的典型标准约为长度的底子单位,即普朗克长度(10E -33厘米)。弦真实是太纤细了,从远处调查,咱们真实无法区别它究竟是弦的共振仍是粒子。只需当咱们把粒子扩大,咱们才干看出那底子不是一个点状粒子,而是一种振荡弦。

依照超弦理论,粒子并非是国际的底子元素,物理规律就适当于琴弦的合音规律。弦论博学多才,能够解说悉数的天然底子规律。

简言之, 假设把国际看作是由国际弦组成的大海,那末底子粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在发生, 也不断在湮灭。咱们实践的物质国际, 其实是国际弦演奏的一曲绚丽的交响乐 !

乃至包含生命杂乱信息和编码的去氧核糖核酸(DNA)分子,也是相似弦的结构。弦,是能够贮存许多数据的最精简的办法之一。

超弦理论,以及在其基础上开展起来的弦场理论,统合了悉数的天然律和效果力,菲尔兹奖章(诺贝尔奖没有建立数学奖,菲尔兹是数学界的最高奖项)取得者维藤说:“悉数物理学上的巨大思维,都是超弦理论的副产品。”

11、罗摩奴詹,建立十维国际

超弦理论好像包含了悉数的物理学常识,极端渊博精深。许多科学家认为,这是二十一世纪的物理学,意外落入二十世纪,可是人类还没有创造二十一世纪的数学,来准确描绘它。

有一个严重隐秘:咱们只能在二十六维与十维中界说弦论,不然就无法用弦论整合已知的物理规律。解开这个隐秘的,是堪比当年黎曼的另一位数学天才罗摩奴詹(Srinivasa Ramanujan)。

罗摩奴詹一八八七年出生于印度,少时崎岖,乃至没有经过升高三的考试。二十六岁那年,他给闻名数学家哈代写了一封信,信中包含了一百二十个定理。这位赤贫孤立的印度哥们,完全不知道欧洲数学界的任何研讨资讯,朴实凭个人才智、依照自己的办法,从头推导出欧洲百年数学史的悉数重要规律。

罗摩奴詹的研讨成果包含了三册四百多页的笔记,其间包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了罗摩奴詹模函数(Ramanujan funcation),这是一个独特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只需在十维中才是自洽的。也便是说,发生咱们现存国际的那个高维度国际,它的维度数必定是十!

(1994年开端了弦论的第2次革新。尔后诞生的“M理论”被认为是最新的大一统理论模型,M理论认为:前史上五种不同的弦论在本质上被证明是等价的,它们能够从11维时空的M理论导出。)

写到这儿,这一段物理诗史底子能够告一段落。从黎曼、爱因斯坦的重力场,到量子力学,到超重力论,到超弦理论,到M理论,人类前史上这些巨大的才智脑筋,前赴后继探寻国际的真理,现已为咱们描绘了国际诞生的全进程,也便是开端于10E-34秒的创世时刻表。

让咱们一同看看,弦论以降,科学究竟是怎样解说咱们所存在的这个国际的:

12、国际的生灭

一、国际的诞生

正如咱们之前所介绍的那样,创世的片刻,开端于“大爆破”Big Bang,自10E-34秒开端,历经150亿年构成咱们今日的国际。

国际“大爆破”的试验依据首要有以下四点:

1、经由丈量恒星光线的歪曲的现象,再三证明恒星正以高速远离咱们而去,并且,离咱们越远的恒星或星系,会以越高的速度远离咱们而去;

2、“大爆破”理论猜测国际中氦与氢的份额应该挨近25% : 75%,实践丈量数据与该猜测高度契合;

3、经过对放射性物质衰变的丈量,咱们能够为地球上的岩石和陨石断年,现在没有发现任何物体能够追溯到“大爆破”之前;

4、“大爆破”发生了国际回音,这种微波辐射至今仍在国际回响,一九六五年,人类侦测到了这个微波布景辐射(microwave backgroundradiation)。

二、国际的消亡

咱们先看看每颗恒星的生命进程:

恒星由许多氢气聚合构成,氢元素交融构成氦,由于氢质子的分量超越氦质子的分量,因此氢聚组成氦时就会有剩余的质量,这些质量依据爱因斯坦的质-能公式 E=mc²成为能量,这个能量将原子核捆绑在一同,并将部分能量释放出来,使太阳发光发热。



之后,经过数十亿年岁月,氢气逐步耗尽,核熔炉逐步平息,重力成为优势效果力使恒星两次陷落,恒星温度此刻会急剧升高,成为“红巨星”,再然后成为“白矮星”,“白矮星”爆破成为“超新星”和“中子星”,“中子星由于重力持续陷落,毕竟成为“黑洞”。

在这一进程中,恒星内部的元素依照“结合能量曲线“顺次改变。



恒星中的氢元素依照这个曲线再三融组成为更重元素之后便会抵达铁,而无法再制作出额定的能量,这时,恒星溃散并释放出许多热量,超新星于焉诞生,这种剧烈爆破将星体炸碎并将残骸遍洒星际空间,成为孕育新恒星的种子。

在描绘完恒星的生命周期后,咱们再看看包含许多颗恒星并见证许多次恒星生灭的国际自身,它将何去何从?

依据爱因斯坦的广义相对论,国际的结局无限悲啼。要么,便是不断胀大,直到温度挨近绝对零度;要么,便是大崩坠,缩短成一团火球。假设国际是一个无限鸿沟的敞开国际,它就会被“冰”消灭;假设国际是一个有鸿沟的关闭国际,它就会被火消灭。

物理学家经过均匀密度来判别国际究竟是不断胀大仍是会反转走向大崩坠,假设国际均匀密度小于10E-29 克/立方公分,国际就会不断胀大,不然,将会堕入大崩坠。

量子力学还描绘了别的一种国际消亡的情形,那便是质子和中子衰变。依据大一统理论,咱们所知道的悉数物质,包含太阳系和地球、也包含才智生物身体内的质子和中子毕竟都会分化。

13、问题是:发生国际的大爆破之前是什么?

在了解了恒星乃至整个国际的生命进程之后,有必要要回答的问题是:在这个片刻之前呐?是否有那个榜首推进力?或许说,是否有那个点着Big Bang的天主存在呐?

数百年来,伴跟着科学发现的不断堆集,宗教界关于天主存在的坚持现已退守到这样一个地步,那便是说:大响雷之前究竟发生了什么?牛顿生前并没有能够回答这个关于“榜首推进”的问题,他把它归功于“天主之手”。

但事实上,以超弦理论为集大成者,今日的科学家集体,不只给出了Big Bang创世之后的国际开展进程(包含国际消亡的进程),一同也给出了Big Bang之前的国际存在的假说,那便是关于平行国际、黑洞、虫洞等相关理论。这些理论在回答了“榜首推进”这个疑问的一同,再次撼动了天主存在的证明。

旧日尼采有言“天主已死”,现在霍金在《大规划》榜首页上就声称“哲学已死”,由于“哲学跟不上科学,特别是物理学现代开展的脚步”。

这是一个极为高傲的“宣言”。

他的意思是,国际根源是悉数哲学流派的终极考虑,而现在科学界现已给出了国际根源和国际开展的悉数解说,所以,哲学的任务现已终结了。

确实!“唯物”、“唯心”,乃至“客观存在”,都现已被量子理论、超弦理论完全不坚定!

与此一同,天主也被霍金“扫地出门”,他在《大规划》结尾声称:由于存在像引力这样的规律,所以国际能够“惹是生非”,自发生成能够解说国际为什么存在,咱们为什么存在。所以“不用请求天主去点着导火线使国际运转”。也便是说,天主现在不再是必要的了。(请参看霍金《哲学已死》,朱清时《物理学步入禅境:缘起性空》)

14、霍金,平行国际

黑洞是使霍金名满天下的研讨,在那之后,他创立了量子国际学(quantum cosmology),以爱因斯坦的古典国际学为起点,再将整个国际量子化,企图完结那个长辈物理学家的未竟事业“一致场论”,统合小到夸克、大到银河星际乃至整个国际的悉数天然律。

事实上,霍金的理论乃至远远超出了咱们的国际!

他的新设想是将整个国际当作一个量子粒子,用国际波函数来描绘多重国际(不止一个,是许多个国际)的无量调集。

依照霍金的理论,咱们的国际,仅仅许多的平行国际之一,每个国际都透过杂乱的虫洞体系与其他国际相连接。



假设霍金说的没错,世上就存在着许多的平行国际。

其间许多国际具有不同的物理常数,大多数国际都是一片死寂,不具备孕育生命的物理规律。可是在某一个国际中,它的物理规律刚好契合生命的条件,这便是咱们的国际。

假设这种理论事实,咱们就不用把生命的来源归诸于天主。

15、国际飞翔 & 遁入高维度国际

前文说过,太阳系乃至这个国际,毕竟难逃消亡的命运。那么,才智生物是否作为国际的一部分因此毕竟难逃消亡的宿命呐?

咱们的期望,就在十维国际和超弦理论!

依照超弦理论,咱们的国际诞生于一个十维国际,由于这个十维国际的对程结构不安稳,在“大爆破”时分化为一个四维国际(咱们现在的国际)和一个六维国际。四维急剧胀大,历经150亿年构成了咱们今日的国际;而六维国际则急剧缩短成为一个10E-32公分的细小国际。

这个六维国际在哪里?它就在咱们的周围!仅仅由于它太细小以至于无法观测得到。假设,咱们能够观测得话,它会是什么姿态呐?这是近几十年内许多数学家、物理学家研讨的课题。其间,以华裔科学家丘成桐命名的卡拉比-丘流形是比较得到认可的一个答案。



上图是一个六维卡拉比-丘流形的二维截面图。也是说,该图适当所以一个六维空间的“影子”。

接着说,当咱们的四维国际溃散时,与大爆破那一刻相反,本来缩短的那个六维国际开端渐渐打开,才智生物有机会在这一个瞬间,由四维国际逃入六维国际,取得重生。

这一个进程,需求咱们把握更强壮的力和能量,才干驾控国际,取得重生。举例说:那时咱们需求极高速的国际飞船,但依据狭义相对论咱们知道咱们永久不行能抵达光速,那么咱们怎样跨过动辄以光年计数的漫绵长路呐?不违背爱因斯坦的天然律而又能够完结或许的时空跨过的办法,便是人为把时空曲折。

打一个简单了解的比如,就比如在地毯的另一边有一个瓶子,咱们不需求走到地毯的那一边去拿到它,咱们能够坐在原地,把地毯逐步拉向咱们,经过使地毯逐步曲折,来拉近咱们和瓶子的间隔,以这样的办法毕竟拿到瓶子。

这便是不需求跨过间隔,可是却能够从一点抵达另一点的办法:曲折时空。而曲折时空所需求的能量,是咱们现在所把握能量的一千亿倍。这便是统合天然力的意图地点。

前文提到,量子力学还描绘了别的一种国际消亡的情形,那便是质子和中子衰变。依据大一统理论,咱们所知道的悉数物质,包含太阳系和地球、也包含才智生物身体内的质子和中子毕竟都会分化。

那时,才智生物就需求用新的质子和中子组成新的原子核。这相同需求巨大的能量,和曲折时空所需求的数量级适当。这也是统合天然力的含义地点。

结语

咱们赞许数百多年来科学前进进程中的这些前驱,是他们才智的心智,让咱们人类只凭仗脑筋和一些东西,就能够计算出分配数十亿光年外的物质的规律,咱们只需微乎其微的动力,乃至还没有脱离太阳系,但咱们现已知道恒星深处的核子反响或原子核内的状况。

咱们在这个不起眼的小行星上发现的物理规律,却适用于国际的各个旮旯,咱们的思维能了解并操控星星的国际规律,咱们体内的原子原是某个恒星的核交融反响的产品,咱们的原子比山的时代还长远,咱们是由国际尘构成的,这些原子又凝集成能了解国际规律的才智生物。


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