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真的会出现跨越20个数量级的奇迹么? 精选

已有 3281 次阅读 2023-11-18 20:57 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    虽然我们经常说物理学已经停滞了,这只是在说我们还没有完全确定的结果,像狭义相对论和量子力学那样,直接而明确。近代物理学开始于1900年普朗克的量子假说,但是这些究竟意味着什么,还没有完结。今天的物理学非常像1900年到1925年量子力学被发现的那个时间段,更多的是猜想。

    在实验可以达到的领域,很多问题都获得了近乎完美的解答,尤其是在粒子物理学领域,成为了科学的典范。当然还有让人困惑的地方,因为实验也还无法给出充分让人信服的证据。粒子物理学的成功,也激励着科学家思考更小尺度的物理学,甚至是接近普朗克尺度的情况,这是人类的认知荒漠。

    另一方面,关于黑洞的理解和发现,根本性的改变了我们对于基础物理的理解方式。至今,引力和其它三种力如何结合在一起都没有获得成功。不管是超弦理论还是圈量子引力,都是建立在数学和逻辑的基础上的,虽然看起来很有意思,但是能成为正确的理论的可能性依然非常小。人的理性在面对真正未知的时候是浅薄的。

    但是这些研究依然非常有价值,因为这是我们关于认知荒漠的有意义的猜想和试探。在没有实验的支撑的时候,人类的理性可以走多远呢?我不是不支持这类无法直接实验验证的理论,而是不认为想当然的就认为它们是正确的,哪怕这些理论看起来是如此让人相信是正确的。当前的物理基础领域到处充满着实验没有证实的概念和名词,这让人感觉非常荒谬。在一些人的研究中,实际上是抛弃了物理的。

    原子核的尺度是10的-15次幂的米,普朗克尺度是10的-35次幂的米,中间需要经过20个数量级,如何理解这中间究竟发生了什么,对于人类的智慧而言是难以想象的挑战。黑洞给了我们几乎是唯一的线索。虽然当下能够探测到两个黑洞合并时产生的引力波,但是在这些引力波中很难看到量子效应。但是这是非常稀少的可能迹象。

    如果能接近黑洞,这20个数量级的跨越就可以解决。黑洞是超高的能量集中在非常小的尺度下所产生的,当前所知的可行的方式就是引力塌缩。所以黑洞是能够发现的最小尺度下的产物。当低于普朗克尺度的时候,就会产生黑洞。所以不管是研究超弦的,圈量子引力的,还是其他的方式,都会在黑洞上进行自己的理论研究。

    这里的关键是黑洞熵和黑洞辐射的发现。1972年贝肯斯坦相信黑洞有熵,随后1974年霍金证明黑洞的确有熵,并且向外进行黑体辐射,黑洞是有温度的。这个发现是在黑洞的视界之处,也就是黑洞的普朗克尺度呈现的地方。黑洞熵正好是黑洞视界的面积除以普朗克尺度的面积(由于约定的原因,这里有一个1/4的系数)。这是当代物理学的新起点,这是过去五十年物理学基础领域的伟大发现。它所产生的影响,才刚刚开始。这个发现就好像是普朗克提出了量子,可惜我们这个时代没有爱因斯坦,无法真正的理解这里边究竟发生了什么。

    虽然没有爱因斯坦,我们依然有一大堆极其聪明的学者,开始不断的给出新的进步,这里边贡献最大的就是特霍夫特和萨斯坎德,他们提出了宇宙全息的想法。关于黑洞,我的看法是,它提供了我们能达到的尺度,也就是原子核的尺度,或者更小一些,到普朗克尺度的唯一信息。这里边的关键依然是测量,从我们到黑洞的视界,将会跨越20个数量级,提供所有的信息。这个信息也就是从现实中的原子核尺度,不断地提升加速器的能量,所能不断探测到的尺度,而这对于黑洞而言,是早就已经存在的。

    如何对这些信息进行探测,这才是粒子物理学研究者,和天体物理学研究者们真正要关心的。虽然当前的加速器的能量依然可以继续提升,但是提升空间不大,而且要求太高,粒子物理学家应该多想想黑洞周围粒子信息的探测问题。

    而全息的想法究竟意味着什么,可能更加重要。黑洞的信息会全部布居在黑洞的视界面积上,这是非常让人震惊的,给出了我们能够测量的终极限制(我认为这是能够测量到的信息量)。萨斯坎德在他的畅销科普《黑洞战争》中说,超弦的思想,量子引力的迹象,黑洞的研究,都是可以在原子核的尺度上进行研究。这个结果让人很奇怪。超弦理论的诞生,在历史上是从核子和强子的研究中受到某种启示而得到的。核子、介子和强子这些粒子,是由夸克通过胶子作用而产生的,而由于SU(3)对称性的色动力学作用,这些作用就非常像三维简谐振子,距离越大作用越强,所以这些粒子的激发就会像一根弦一样。研究超弦的人,把这个发现灵机一动推广到了普朗克尺度附近,认为基本粒子在普朗克尺度上观察的时候,就像一根弦。

    这个想法怎么看都是非常奇妙的,其实我一直觉得这是一个非常美妙的想法。因为基本粒子如果内部能够激发,似乎真的应该是一根弦,或者其他的东西,而不应该是一个点。但是随后建立的理论,多维、超对称等等,就让人感觉非常玄妙了。

    这里边的逻辑很简单。基本粒子不能是一个点,因为有最小的尺度普朗克尺度。基本粒子一定要比普朗克尺度大,否则就会掉入黑洞之中,除非有一个特别的机制让它不掉进去(这当然也是可能的,这个想法不知道有没有人认真思考过)。如果小于普朗克尺度,那么这些基本粒子究竟是什么,就没有意义了,因为我们根本探测不到。

    所以自然就有了问题,这些基本粒子如果从普朗克尺度看,那么应该是什么形状呢?这似乎是一个必然的问题。超弦理论就是从这个角度给出答案的。我觉得出发点没有什么问题。但是那个尺度下的物理可能真的是非常奇特,所以导致建立的超弦理论看起来怪怪的。这里就不多说了。

   这里的关键是萨斯坎德的想法,他说这些普朗克尺度的基本弦和核子尺度的弦是一个东西,这是一个难以想象的猜想。这个领域叫做全息QCD,已经有了很多年的发展,给出了大量的结论。可信度有,但不是非常精确。想法应该是对的,但是问题是,可能没有找到精准的数学描述。

    在一个跨越20个数量级的两侧,出现了完全相同的物理,这实在是非常不可思议的,我起码还无法理解这些,但是很让人激动。比如一个质子,构成它的三个夸克其实质量是很小的,质子的大部分质量都是由相互作用贡献出来的,这个原因我们依然不是完全清楚。全息理论,说这个里边反映的其实是普朗克尺度上可能发生的事情,如果我们对这个过程了解了,就很可能理解普朗克尺度的物理了。这真的让人震惊,这可能是有史以来最不可思议的猜想了。

    所以说,过去的五十年,不能说物理学基础领域停滞了,而是科学家没有找到描述这些现象的真正有效的数学。科学家发现了一些奇妙的东西,也发现了全息原理,这些发现都是在现有的理论基础上发现的,所以是正确的,但是这些意味着什么,我们依然不清楚。找到能够准确描述这些现象的量子引力理论是最终的目标,在核子的层面上做进一步的实验(我不知道研究原子核对这些有没有帮助,因为直观上看到的东西可能都是错的),以及对于黑洞视界外的观测,可能是我们寻找终极理论的必然之路。



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