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从“电子为何不爆炸?”谈一谈科学想象力

已有 709 次阅读 2024-1-14 21:00 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    人类之所以成为人类,是因为想象力。科学之所以成为科学,是因为科学想象力。当想象力消失了,科学就不会诞生和发展,人类也会走向消亡。想象力的根本重要性,我相信被很多人忽略了。

    想象力,会让我们冲破经验的束缚,打破固有的观念,质疑权威的教导,特别是从大脑的幻像中脱离出来,看见些许新的可能性,而这正是科学得以发展的根本原因。人类生来就是拥抱科学的。但是现实中,有太多的原因会让想象力消失,使得经历了漫长时光后,人类才终于走到科学的道路上。

    想象力消失了,人也就失去了意义。

    科学的历史在反复的说明这一点,比如爱因斯坦的那些伟大的想法的诞生,比如粒子物理学中标准模型的建立中发生的奇妙故事,这里就不再多说。科学史中每一个重大突破,背后都是科学想象力的成功案例。(以后会写博文进一步强调这一点)这里我想以一个简单的例子,来说一下科学想象力的重要性,这也是我的一个民科式的思考的个人经历。这里考虑一个没有结论的例子,这样才能凸显出科学想象力究竟为何物。

    我研究物理学的经历,可能介于民科(和已有的科学结论完全脱节)和那些标准的科学研究者(跟着已有的结论做研究)之间。南开大学的罗延安老师曾经反复的劝诫过我,应该做一点实实在在的研究,不要最后成为了一个科普作家。我这个人就是这样,喜欢沉迷在胡思乱想之中,在物理学的世界里到处闲逛,游山玩水,往往忘记了现实。(结果看起来也的确被现实抛弃了)

    所幸最终还是做出了一点有价值的物理学研究,比如以前和延安大学的李刚老师创立了基于热态的后选择热测量理论(我觉得这个工作极其重要,把量子测量推到了一个极端,以后还会回到这个研究上来),最近在核结构领域提出了SU3-IBM新模型(和以前看到核结构演化的观点不同),在光力学中也最先提出了纯暗模的概念,最先讨论了量子力学无关子空间和量子纠缠的关系(不是那么重要,但是一篇science的工作也利用类似的想法做了实验),也不算彻底不务正业。

    我考虑过很多有趣的东西,这里边思考“电子为何不爆炸?”尤为典型。我不知道研究物理的人,是否自己想没想过这个问题。这个问题非常有意思,而且是一个纯粹开放性的问题,至今也没有答案。如果一个人能够自己独立的提出这个问题,并且思考,我觉得是非常适合研究物理的。(我判定一个人是否适合学习物理,就在于他是否喜欢思考一些奇怪的物理问题,特别是自己能提出奇怪的问题)

    电子是汤姆孙在1897年发现的,这意味着微观世界原子的可分性。至今,我们还没有发现电子有结构,认为它是一个点粒子。这可能是真实的电子实在是太小了。问题在于电子是带负电的,而同种电荷是互相排斥的。电子越小,这种电荷之间的排斥力就越大,所以自然就会有问题:电子为何不爆炸?

    这要求我们去想象真实的电子究竟是什么样子的,并且去推理。在量子电动力学中,进一步考虑更小的尺度时,电子-正电子对就会越来越多,极化现象就会越明显,这导致有效的电荷越来越大,质量越来越大。这反而导致“电子为何不爆炸?”这个问题变得越来越严重。

    似乎唯一的答案,就是在特别小的尺度时,比如在普朗克尺度的时候,引力开始发挥作用。排斥力和引力平衡了?但是问题是,这可能是不稳定的。当然这是一个考虑的角度,就和中子星一样。

    当我们从普朗克尺度看电子的时候,这是一个有意思的问题。电子肯定不是一个点。我们平常考虑它是一个点,是因为在我们当前的探测能力下,它就是一个点。但是在普朗克尺度下,这是不可能的。

    这应该是一团奇怪的东西。如果如弦论说的那样,是一根弦,我也是很奇怪的,如此大的排斥力,为什么没拉的很长呢?(如果某一方向可以拉伸,这可能会导致严重的后果)所以我更认为是一个球形的存在。当然这只是说可能的形状。

    这些都是科学想象力。

    当然,如果是这些肯定是不够的,只能说是想象力,你得把科学加进来。在电磁学中,没有电荷的时候,麦克斯韦方程具有对偶性。电场和磁场互换,方程是不变的。但是当把电荷加进来,也就是电子,这个对偶性就没有了。所以有人就把磁单极子加了进来。这个很漂亮,不管从数学上,还是物理上,都很漂亮。我们知道狄拉克给出了磁单极子存在的量子力学的解释。而且,如果这种对偶性存在,从电子上看是弱耦合的,从磁单极子看,是强耦合的。所以我们既可以用弱耦合来研究强耦合,这是后边发展的对偶思想的开端。

    可惜的是,我们没有发现磁单极子。为什么没有,可以被暴涨宇宙论来解释。但是有意思的是,磁单极子没有了,电子还依然一大堆。

    实验上观测不到的,即使理论上说的很漂亮,可能也是不让人信服的。

    我的想法就更加奇妙,很民科。我也觉得这种对称性很漂亮。在物理学中,对称性往往会特别吸引人,也最终导致了超弦理论的诞生。我觉得有可能物理学家患上了对称过度综合征。最近在核结构的相作用玻色子模型中,我就认为以前的理论中的一种长椭-扁椭的能谱对称性是不可能存在的。

    磁单极子就是对称综合症的一个结果,我这里也是(对称性会让问题简单,也会带来奇怪的东西)。由于磁单极子没有被发现,所以可以认为它根本就不存在。我思考问题,也遵循更简单的原则,没有磁单极子比有看来更好。可是如果磁单极子不存在,而还具有电磁对偶性,那意味着什么呢?

    当我们看向条形磁铁的一端的时候,其实就好像看到了电场的样子。所以正如条形磁铁这样,存在的永远是磁性的两极,所以实际上存在的不是单个的电子,而是电性的两极!(多么民科!)现实的世界中,我们发现的是电子或者是正电子,所以发现的只是电的两极的一端!

    这意味着什么呢?意味着还有另外一个世界,和我们这个世界完全一样,而他们看到的是电的两极的另一端!而且因为和这个世界完全一样,所以也根本就无法区分。当我在年轻的时候,得到这个想法的时候,我是极其震惊的,也是非常无奈的。这个想法是不可能被别人接受的。

    不过到了今天,这样的想法,正在变得不是那么不可能了。以后有时间的时候,也可能还会再思考下去。这个想法其实是非常奇妙的,因为它直接解决了“电子为什么不爆炸?”的问题,因为在电子的另一端,是正电子,两种电荷抵消了!合理性的结论如果带来了匪夷所思的东西,那么也似乎就不是不可以接受的了。而且奇特的是,这似乎也可以看成是一根弦!!!(这个想法在我的脑海中已经转来转去快二十年了)

    科学的问题,能立刻得到答案的,只是一部分。很多问题,都会引领我们走向不可思议的虚无之地。不管是看起来科学的想法,还是看起来非常民科的奇怪结论,都值得我们去珍惜,去发掘。也许某一天,某个诡异的想法就会成为真理的一部分。

    我觉的这就是科学的想象力,把科学精神和想象力结合在一起。我相信,科学的进步,就来自这种科学的想象力。在一个问题上,不断地质疑,不断地引申,看看究竟可以走到哪一步。只要逻辑上是合理的,就可以思考下去。当然,这不意味着,科学的想象力就是胡思乱想,自以为是的胡说八道,想到什么都觉得是对的(想到什么就觉得是对的,这是伪科学的根本,真正的科学研究者从来不这么想)。最终,我们需要理性的看待思考的结论,是否符合已知世界的真实图景,是否可以被实验验证,是否可以被未来所期待。

    但是,首先得有这种想象力,如果没有,一切就没有开始,一切就不会发生。

   



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