作品介紹

愛因斯坦與萬物之理:統(tǒng)一路上人和事


作者:張?zhí)烊?nbsp;    整理日期:2016-03-06 18:34:22

"為什么愛因斯坦*后三十年似乎一無所獲?他晚年所追求的“統(tǒng)一理論”到底是什么?科學牛人們在物理學統(tǒng)一大業(yè)上都做了哪些努力?人類未來會創(chuàng)造一個放之四海而皆準的“萬物之理”嗎?
  二十世紀初物理界的兩場革命,帶給了我們相對論和量子理論。如今,物理學需要新一輪的革命,將兩者結(jié)合統(tǒng)一在一起。這種微觀和宇觀的統(tǒng)一,是否能為物理學以及其他科學的統(tǒng)一之路,開辟出一條新的路徑?相信科學家們將繼續(xù)努力,讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡約之美”!"
  
本書簡介:
  愛因斯坦逝世后,物理學家們在這條統(tǒng)一路上,又走過了一個甲子的歷程。六十年的風風雨雨,點點滴滴,理論物理學家們作了些什么?統(tǒng)一之路如今走到了哪里?前途如何?本書作者從介紹牛頓力學、量子力學開始,到數(shù)學中的群論、對稱守恒原理,再介紹標準模型、規(guī)范理論、量子場論、費曼路徑積分、費曼圖等等,讓讀者對理論物理中的“統(tǒng)一”大框架,特別是主流物理界公認的“標準模型”,有一個基本認識。最后,也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系,以及標準模型的困難和局限,簡要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念,讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙,科學家的追求,也體會到科學研究的艱辛,激勵年輕人對探索自然規(guī)律的愿望和好奇心,踏進科學的大門。
  作者簡介:
  張?zhí)烊,女,科普作家,美國得克薩斯州奧斯汀大學理論物理博士,現(xiàn)住美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發(fā)表專業(yè)論文三十余篇。2012年開始,出版一系列科普著作,其文風深入淺出,趣味盎然,亦保持科學的嚴謹性,深得讀者喜愛。是第六版《十萬個為什么》物理卷參編者之一。已出版科普讀物:《蝴蝶效應之謎:走近分形與混沌》《世紀幽靈:走近量子糾纏》《電子,電子!誰來拯救摩爾定律?》《上帝如何設(shè)計世界:愛因斯坦的困惑》《數(shù)學物理趣談:從無窮小開始》。
  目錄:
  引言:物理理論的簡約之美第一篇:從牛頓到愛因斯坦1.統(tǒng)一路上話牛頓2.法拉第和麥克斯韋的忘年交3.時間空間成一統(tǒng)4.慣性、引力、與幾何5.突破維數(shù)的疆界6.外爾-蘇黎世一只孤獨的狼
  第二篇:奇妙的量子世界1.普朗克放出量子精靈2.薛定諤的緊箍咒3.“不確定”的海森堡4.哥本哈根的靈魂5.狄拉克玩數(shù)學6.泡利-上帝的鞭子7.自旋的奧秘8.造物者的靈符9.費曼的游戲10.粒子和場
  第三篇:對稱和群論1. 少年天才創(chuàng)群論2. 奇妙的旋轉(zhuǎn)3. 何謂“李代數(shù)”4. 數(shù)學才女論守恒5. 對稱破缺之謎
  第四篇:粒子動物園1. 追尋世界的本源2. 從煉金術(shù)到周期率3. 原子模型4. 粒子家族大爆炸5. 基本粒子知多少
  第五篇:標準模型1. 規(guī)范理論之誕生2. 楊-米爾斯理論3. 上帝是個左撇子?4. 俘獲上帝粒子5. 弱電同道6. 夸克世界五彩繽紛
  第六篇:大爆炸、統(tǒng)一論、及其它1. 觀察時間的起點2. 世界為什么是這個樣?3. 暗物質(zhì)和暗能量的啟示4. 群星燦爛5. 頑固的引力6. 輪椅上的奇跡7. 威滕的菲爾茨獎8. 期待革命"
  前言"引言:物理理論的簡約之美
  愛因斯坦解釋了光電效應,提出兩個相對論之后,便開始了他對統(tǒng)一場論的研究。大有“躲進小樓成一統(tǒng),管他冬夏與春秋”之勢,這一“統(tǒng)”就是三十余年,到死方休。愛因斯坦將其后半生獻給了物理學中這場“統(tǒng)一之夢”,然而,他為此獨自奮斗30余年卻未得其果。
  盡管統(tǒng)一場論一詞始于愛因斯坦,但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。事實上,如果略去“場論”二字,只談理論之統(tǒng)一,那就應該追溯到牛頓的年代了。"引言:物理理論的簡約之美
  愛因斯坦解釋了光電效應,提出兩個相對論之后,便開始了他對統(tǒng)一場論的研究。大有“躲進小樓成一統(tǒng),管他冬夏與春秋”之勢,這一“統(tǒng)”就是三十余年,到死方休。愛因斯坦將其后半生獻給了物理學中這場“統(tǒng)一之夢”,然而,他為此獨自奮斗30余年卻未得其果。盡管統(tǒng)一場論一詞始于愛因斯坦,但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。事實上,如果略去“場論”二字,只談理論之統(tǒng)一,那就應該追溯到牛頓的年代了。愛因斯坦逝世后,物理學家們在這條統(tǒng)一路上,又走過了一個甲子的歷程。六十年的風風雨雨,點點滴滴,理論物理學家們作了些什么?統(tǒng)一之路如今走到了哪里?前途如何?本書作者從介紹牛頓力學、量子力學開始,到數(shù)學中的群論、對稱守恒原理,再介紹標準模型、規(guī)范理論、量子場論、費曼路徑積分、費曼圖等等,讓讀者對理論物理中的“統(tǒng)一”大框架,特別是主流物理界公認的“標準模型”,有一個基本認識。最后,也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系,以及標準模型的困難和局限,簡要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念,讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙,科學家的追求,也體會到科學研究的艱辛,激勵年輕人對探索自然規(guī)律的愿望和好奇心,踏進科學的大門。物理學中的統(tǒng)一路,實際上追求的是一種簡約之美。把復雜的事情簡單化,是一種本領(lǐng)和智慧。簡約并不簡單,大智若愚,大道至簡,用簡去繁,以少勝多。中國清代有位書畫家鄭板橋,被稱為“揚州八怪”之一,在書齋中掛了一幅自寫的對聯(lián),題曰:“刪繁就簡三秋樹,領(lǐng)異標新二月花”,以此表明他的書法及文學理念,主張以最簡練清晰的筆墨,不同凡響的思想,表現(xiàn)出最豐富的內(nèi)容。物理學家的“統(tǒng)一”,是要統(tǒng)一些什么?歸納起來有三個方面:一是物理規(guī)律的統(tǒng)一;二是物質(zhì)本源的統(tǒng)一;三是相互作用的統(tǒng)一。統(tǒng)一的意思就是使事物簡單化。從多變少,由少歸一,便謂之統(tǒng)一。因而,物理學家所追求的簡單化、統(tǒng)一化,聽起來與鄭板橋追求的書畫筆墨及文字之“簡約”,同出一轍。兩者實質(zhì)上也就是所謂“奧卡姆剃刀”原則的變換說法,同屬“簡約之美”。奧卡姆不是人名,是英格蘭的一個村莊。14世紀時那兒出了一位叫威廉的邏輯學家。此人流傳下來的東西不多,唯有這一句話膾炙人口:“Entitiesshouldnotbemultipliedunnecessarily”?捎弥形膶⑵浞g成一段八字格言:“如無必要,勿增實體”。意思是說,刪除一切沒必要的多余“實體”,留下最少的。對于理論物理,這一原理最好的表述是:當你面對著導致同樣結(jié)論的兩種理論,選擇那個最簡單的,實體最少的!物理統(tǒng)一理論中的實體,可被理解為基本規(guī)律、粒子、和作用力。也就是說,統(tǒng)一,就是用最少數(shù)目的物理規(guī)律來描述自然現(xiàn)象;用最少數(shù)目的“不可分割基本粒子”來構(gòu)成所有的物質(zhì);用最少種類的“力”來描述物質(zhì)之間的相互作用,這才符合奧卡姆剃刀原則,符合簡約之美!牛頓曾經(jīng)感嘆地說過:“我能計算天體運行的軌道,但無法計算人類的瘋狂”奧卡姆剃刀原則也許難以描述多變的社會現(xiàn)象及復雜的人性,但將其用于科學中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來,這一原理在科學上得到了廣泛應用,從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論,再到如今的標準模型,漫長延綿的統(tǒng)一路上,奧卡姆剃刀已經(jīng)成為重要的科學思維理念。然而,物理學中的統(tǒng)一理論,即用以描述物質(zhì)世界的“最少數(shù)目”的標準,是隨著時間而變化的。科學技術(shù)不斷進步,實驗手段不斷改進和發(fā)展,各種理論得以建立和完善,我們對大自然的理性認識也深入到不同的層次。這一切,使得在科學發(fā)展的不同歷史時期,會有不同意義下的不同“統(tǒng)一理論”,它們猶如在一條曲折流逝的河流中,一定位置出現(xiàn)的一片片平靜的港灣。河流總是從這些港灣和支流,不斷地吸取精華,沉淀糟粕,川流不息,奔向大海。牛頓的力學定律加萬有引力,毫無疑問地是物理學中第一個“統(tǒng)一理論”。牛頓之前的物理學,已經(jīng)有了許多獨立的、貌似互不相關(guān)的物理定律。伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性原理,還從著名的比薩斜塔實驗證實了自由落體所遵循的規(guī)律。開普勒在研究第谷提供的大量實驗及觀測資料的基礎(chǔ)上,提出了行星運動三定律。惠更斯和胡克,當時在力學、光學、等多個領(lǐng)域也都有所建樹。然而,是牛頓第一個認識到這些零零落落的孤立定律之間深刻的內(nèi)在聯(lián)系。他將這些分散的“支流”匯總在一起,完成了物理學上的第一次理論統(tǒng)一。與那些“孤立”定律不同的是,牛頓三大定律所描述的是“所有”物體在力的作用下的運動規(guī)律。這兒的物體,可以是地面上的沙粒,也可以是宇宙中的天體。牛頓用鋒利的奧卡姆剃刀,將物體的大小、形狀、質(zhì)地、軟硬之類不重要的具體性質(zhì)通通砍去,只留下一個質(zhì)量m。因此,所有的物體都變成了一個質(zhì)點,它們在力的作用下,都符合同樣的運動規(guī)律。場論的思想,則始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。法拉第在進行并記錄了大量電磁實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出了“場”的概念。精通數(shù)學的麥克斯韋,希望用微分方程來描述和總結(jié)這些實驗規(guī)律。開始時,麥克斯韋面對著20多個方程式,其中包括由庫侖、高斯、法拉第、安倍等人研究總結(jié)的各種實驗現(xiàn)象,還包括電介質(zhì)的性質(zhì),各種電磁現(xiàn)象的規(guī)律等等。麥克斯韋大刀闊斧地揮舞奧卡姆剃刀,剃去冗余重復的部分,加上必要的新概念,最后將它們高度凝聚提煉簡化為四個對稱而漂亮的矢量方程式,將電、磁、光三者“統(tǒng)一”于一個經(jīng)典場中。后來,愛因斯坦的狹義相對論,將時間和空間的概念,統(tǒng)一于一個四維的時空框架,時間和空間不再是絕對而單獨的存在,而是被洛倫茨變換互相聯(lián)系在一起的整體。從狹義相對論的時空概念,就能得到尺收縮、鐘變慢的結(jié)論,與以太中的洛侖茲理論得到的結(jié)論一致,那么,以太的“實體”于此是多余的,因此,它被愛因斯坦用奧卡姆剃刀無情地剃去。愛因斯坦留下兩條他認為必要的實體:相對性原理和光速不變,建立了狹義相對論。再后來,他將相對性原理擴展,用等效原理將引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等同起來,將引力效應與時空幾何統(tǒng)一起來,建立了廣義相對論。物理學的一次又一次的進展,原來都是和一次又一次的“統(tǒng)一”聯(lián)系在一起,難怪愛因斯坦最后要將其半生的努力獻給統(tǒng)一大業(yè)。在愛因斯坦剛建立廣義相對論的年代,弱相互作用和強相互作用尚未登場。愛因斯坦當時對前景應該是頗為樂觀的,他也許想,電磁力和引力是如此相像:它們同樣是遠程起作用(上世紀30年代開始,就有了對近程起作用的、現(xiàn)在稱之為“弱相互作用”的描述),都符合距離的平方反比率,只要能將電磁力融入廣義相對論的引力框架中,不就大功告成,統(tǒng)一起來了嗎?愛因斯坦幾十年大統(tǒng)一夢的努力以失敗而告終。以現(xiàn)在如筆者這樣的馬后炮觀點看起來,愛因斯坦至少有兩點缺失:一是低估了萬有引力“桀驁不馴”的本性,二是選錯了道,企圖用經(jīng)典場論,而不是量子場論來構(gòu)建統(tǒng)一理論。也就是說,愛因斯坦忽略了更深入研究他自己參與創(chuàng)建的量子理論,也更忽略了量子理論后來幾十年的發(fā)展。當然,人們可能會說,從量子場論出發(fā)的這條統(tǒng)一之路不也仍然是困難重重,尚未打通么?的確是這樣,但是大多數(shù)的物理學家們認為這是一條正確的道路,也是一條無法回避的道路。試想,一個物理學的大統(tǒng)一理論可以不包括已經(jīng)發(fā)展驗證超過百年的量子理論么?即使我們尚不知道這條道路的終點在何時,但堅持走下去必將在歷史上留下痕跡,也許是彎曲迂回的痕跡,但將來仍然是“有跡可尋”的。當年,量子力學中有了薛定諤方程和海森堡的矩陣力學,萬有引力有了愛因斯坦的場方程,電磁作用有經(jīng)典的麥克斯韋方程組。三套馬車分道揚鑣、各行其是,的確應該將它們統(tǒng)一在一個單一的數(shù)學框架中,這是理論物理學家們喜歡玩的游戲。量子力學的誕生和引力的幾何化,是當年物理界觸目驚心的兩大革命,經(jīng)典電磁學呢,在成功建立了麥克斯韋理論的基礎(chǔ)上,正在忙忙碌碌地走向應用。它造就了數(shù)不清的專利和許多杰出的工程師,揭開了電氣工程中輝煌的一頁。對二十世紀初期的物理界而言,大多數(shù)理論朝著完善和推廣量子力學的方向發(fā)展,風云激蕩的時勢,造出了一個又一個的量子英雄,諾貝爾在天國里也只好忙著發(fā)獎給這些對他聞所未聞的奇怪理論作出貢獻的科學家們。與電磁和量子領(lǐng)域非凡熱鬧的氣氛相比較,廣義相對論便顯得孤獨多了,它在默默地等待著天文學中更精確的實驗驗證資料。三組理論并非全無關(guān)系,在解決具體物理問題時,有時候三者都需要考慮。但是,它們畢竟有它們自己的用武之地:量子理論適宜探索微觀世界;廣義相對論在宇宙中長袖善舞;電磁理論則成功地服務于人類的衣食住行。還有一件人們不應該忘記的大事,是與物理學的兩大革命密切相關(guān)的,那就是在1945年8月6日,于日本廣島爆炸的第一顆原子彈。這次爆炸傷及了十幾萬無辜的生命,造成的后患難以數(shù)計,使得愛因斯坦后悔當年上書羅斯福促成制成原子彈一事。盡管如此,當時第一顆原子彈的技術(shù)畢竟是被同盟國所掌握,它的爆炸加速了日本的投降、二戰(zhàn)的結(jié)束,否則,世界歷史,中國歷史,也許都要被改寫了。從物理學史的觀點來回顧上世紀初物理界這兩大革命理論,量子力學象征著現(xiàn)代物理的開始,而相對論則代表了經(jīng)典理論的結(jié)束。愛因斯坦統(tǒng)一之夢失敗的原因之一,恐怕正是因為他將經(jīng)典的尾巴抓得太牢了,因而擋住了一部分他觀察現(xiàn)代物理龍頭的視線。愛因斯坦始終不能接受測不準原理等不同于經(jīng)典現(xiàn)象的量子規(guī)律,盡管他扮演的的老頑固角色對量子力學的發(fā)展也起到了正面推動的作用,但是,參與反推和參與正推總是有所不同的。記得著名的物理學家、諾貝爾獎得主史蒂芬溫伯格對愛因斯坦曾經(jīng)有過一句非常精辟的評論。原話記不清了,其大意是說,愛因斯坦所犯的最大錯誤不是他自己認為的“在場方程中引入了宇宙常數(shù)”,而是在于他成為了他自己的理論成就的“囚徒”。他癡迷于他的廣義相對論的物理數(shù)學之美中,想用這個經(jīng)典理論一統(tǒng)天下,包括統(tǒng)一他不接受的量子理論。但這在事實上是不可能的,事實上,量子理論的出現(xiàn)是一場比廣義相對論更為深刻的革命,因為它跳出了經(jīng)典思想的牢籠,走出了一條不確定性和決定性融合在一起的現(xiàn)代物理之路。一個成功的物理大統(tǒng)一理論必定要建立在量子理論的基礎(chǔ)上。因此,本書作者在第二篇中簡要地敘述了量子物理的發(fā)展歷史和基本概念,帶領(lǐng)讀者了解量子力學的創(chuàng)建過程,從科學家的物理思想及趣聞軼事中,也同時深入探測微觀世界、體會領(lǐng)略神奇的量子現(xiàn)象。物理理論的建立少不了數(shù)學,為了理解物理中的統(tǒng)一理論,一定的數(shù)學知識是必要的。實際上,理論物理和數(shù)學互相滲透融合在一起,彼此促進,相輔相成。在本書中,作者盡量避免寫出數(shù)學公式,而是代之以通俗的語言,描述艱深的數(shù)學概念,諸如群論、李群、李代數(shù)、對稱、守恒、生成元、自發(fā)對稱破缺等等,作者通過深入淺出的描述和恰到好處的比喻,將這些數(shù)學名詞與日常生活的種種經(jīng)驗聯(lián)系起來,令讀者耳目一新。世界的本源是什么?這是從希臘時代開始,哲學家和科學家們就不停追溯和思考的難題。對此類問題的探索關(guān)系到兩個方面:構(gòu)成物質(zhì)的基本磚塊有哪些?這些磚塊之間的作用力又有哪些?說穿了,物理學中尋求的統(tǒng)一理論的本質(zhì),就是要尋求統(tǒng)一這些基本磚塊及其相互作用的理論。大家在中學物理及化學中,已經(jīng)接觸過的分子結(jié)構(gòu)、原子模型、質(zhì)子、中子、電子、以及元素周期表等等,是在原子(分子)層次的統(tǒng)一理論。然而,隨著科學技術(shù)的發(fā)展進步,人類對物質(zhì)本源的認識已經(jīng)深入到更下一個層次。科學家們制造了大型加速器,利用快速運動粒子之間的碰撞來產(chǎn)生新粒子,也從浩瀚無邊的宇宙中發(fā)現(xiàn)和捕獲未知粒子。清點各種粒子,其種類已經(jīng)有好幾百種。這其中,哪些算是“基本”的?哪些是由基本粒子構(gòu)成的?如何將粒子動物園中的各種“動物”分門別類?這是本書在第四篇中將介紹的內(nèi)容。物理學家們從上世紀80年代開始建立的“標準模型”,是統(tǒng)一路上的一個重要成果。標準模型建立在楊-米爾斯規(guī)范場理論的基礎(chǔ)上,將目前物理實驗能量能夠達到的微觀世界最小層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用,統(tǒng)一于61種基本粒子。該理論所預言的數(shù)種粒子在實驗中均被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),2012年最后發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子,為這個理論貼上了一個醒目的標簽。本書第五篇,便在敘述楊-米爾斯理論的基礎(chǔ)上,簡單介紹標準模型。一波未平,一波又起,F(xiàn)有的基本粒子尚未被統(tǒng)一,宇宙學的領(lǐng)域又傳來了新的信息。原來我們能探測到的物質(zhì)種類,只占宇宙中所有物質(zhì)成分的百分之四點九。其余的屬于我們對其性質(zhì)幾乎完全無知的暗物質(zhì)和暗能量。這些“暗貨”到底是些什么?如何將它們統(tǒng)一在我們的物理理論中?天文學和宇宙學的實驗觀察數(shù)據(jù),既給我們提出了挑戰(zhàn),也有可能向我們展現(xiàn)克服困難的玄機。作者在第六篇中,探索大爆炸開始的短暫時刻,4種相互作用如何分離。微觀和宇觀的結(jié)合,是否能為物理學的統(tǒng)一之路,開辟新的捷徑?盡管標準模型取得了一定的成功,但也發(fā)現(xiàn)它與少量的實驗結(jié)果不相符合。并且,它將引力拋棄在外,因此人們并不認為它能夠作為將來所謂“終極理論”的候選者。那么,除了標準模型之外,還有哪些主要的理論呢?物理學家為了統(tǒng)一引力,作了哪些努力?統(tǒng)一大業(yè)將何去何從?在本書的最后幾節(jié),作者將對弦論、M理論、引力量子化、弦網(wǎng)等略微介紹。上世紀初物理界的兩場革命,帶給了我們相對論和量子理論。如今,物理學需要新一輪的革命,將兩者結(jié)合統(tǒng)一在一起。這種微觀和宇觀的統(tǒng)一,是否能為物理學以及其他科學的統(tǒng)一之路,開辟出一條新的路徑?相信科學家們將繼續(xù)努力,讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡約之美”!愛因斯坦30年如一日的統(tǒng)一夢,即使未成正果,也精神可嘉。愛因斯坦留給后人的遺產(chǎn),有前半生大膽創(chuàng)建物理理論的思想光輝,也有后半生不折不撓追求統(tǒng)一的奮斗精神。愛因斯坦超人的物理直覺,和對數(shù)學思想的異常敏感,造就他成為一代偉人。在后半生探索統(tǒng)一場論的過程中,愛因斯坦對物理和數(shù)學的觀念發(fā)生了一些微妙的變化;蛟S是因為黎曼幾何之于引力理論的重要性給他的沖擊太大,印象太深刻了;也有可能是他對自己的物理直覺太過于自信了,以為不需要多想,那種直覺自然而然就在那里?傊,在后來幾十年的研究中,他似乎不再像原來建立兩個相對論時那樣深究物理概念,提出革命思想,而是轉(zhuǎn)而企圖以幾何出發(fā)來將廣義相對論拓展到電磁場?墒呛苓z憾,這種從數(shù)學走向物理的想法沒有使他成功。愛因斯坦太鐘愛廣義相對論,抵制量子論,以至于他在1950年評價物理學領(lǐng)域中的成果時說:“基礎(chǔ)物理理論需要一開始就在基本概念上與廣義相對論一致,否則在我看來都是注定會失敗的。”可惜愛因斯坦這次的預言不準確,并且,他未成統(tǒng)一大業(yè)便駕鶴西去了。如今,不知遠在天國的他是否已經(jīng)注意到量子理論這幾十年的成功,還是仍然像1950年那樣,對量子理論與廣義相對論的水火不容而耿耿于懷。種種說不清的原因,使愛因斯坦最后30余年的科學努力,似乎一無所獲,沒有得到什么對現(xiàn)代物理研究來說值得一提的結(jié)果。不可否認,愛因斯坦是一個偉人,但畢竟100余年過去了,他的許多理論我們?nèi)栽谑褂茫木薮蟮纳碛,與他堅持不懈的經(jīng)典統(tǒng)一夢,卻都漸行漸遠,漸遠漸淡,逐漸遠離我們,慢慢地消失在歷史無情的歲月里。物理學家對統(tǒng)一理論的追求,只不過表明了探索大自然更深一層秘密的愿望和決心。有誰會真正相信,用一個“萬能公式”,或是一個“萬有理論”,就解決了所有的問題呢?求統(tǒng)一的過程中發(fā)現(xiàn)更多的多元化和“不統(tǒng)一”,在不統(tǒng)一的世界中又不斷顯現(xiàn)共同的、統(tǒng)一的特征,愛因斯坦的統(tǒng)一夢后繼有人,但統(tǒng)一之路永無止境!引言:物理理論的簡約之美
  愛因斯坦解釋了光電效應,提出兩個相對論之后,便開始了他對統(tǒng)一場論的研究。大有“躲進小樓成一統(tǒng),管他冬夏與春秋”之勢,這一“統(tǒng)”就是三十余年,到死方休。愛因斯坦將其后半生獻給了物理學中這場“統(tǒng)一之夢”,然而,他為此獨自奮斗30余年卻未得其果。盡管統(tǒng)一場論一詞始于愛因斯坦,但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場理論。事實上,如果略去“場論”二字,只談理論之統(tǒng)一,那就應該追溯到牛頓的年代了。愛因斯坦逝世后,物理學家們在這條統(tǒng)一路上,又走過了一個甲子的歷程。六十年的風風雨雨,點點滴滴,理論物理學家們作了些什么?統(tǒng)一之路如今走到了哪里?前途如何?本書作者從介紹牛頓力學、量子力學開始,到數(shù)學中的群論、對稱守恒原理,再介紹標準模型、規(guī)范理論、量子場論、費曼路徑積分、費曼圖等等,讓讀者對理論物理中的“統(tǒng)一”大框架,特別是主流物理界公認的“標準模型”,有一個基本認識。最后,也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系,以及標準模型的困難和局限,簡要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念,讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙,科學家的追求,也體會到科學研究的艱辛,激勵年輕人對探索自然規(guī)律的愿望和好奇心,踏進科學的大門。物理學中的統(tǒng)一路,實際上追求的是一種簡約之美。把復雜的事情簡單化,是一種本領(lǐng)和智慧。簡約并不簡單,大智若愚,大道至簡,用簡去繁,以少勝多。中國清代有位書畫家鄭板橋,被稱為“揚州八怪”之一,在書齋中掛了一幅自寫的對聯(lián),題曰:“刪繁就簡三秋樹,領(lǐng)異標新二月花”,以此表明他的書法及文學理念,主張以最簡練清晰的筆墨,不同凡響的思想,表現(xiàn)出最豐富的內(nèi)容。物理學家的“統(tǒng)一”,是要統(tǒng)一些什么?歸納起來有三個方面:一是物理規(guī)律的統(tǒng)一;二是物質(zhì)本源的統(tǒng)一;三是相互作用的統(tǒng)一。統(tǒng)一的意思就是使事物簡單化。從多變少,由少歸一,便謂之統(tǒng)一。因而,物理學家所追求的簡單化、統(tǒng)一化,聽起來與鄭板橋追求的書畫筆墨及文字之“簡約”,同出一轍。兩者實質(zhì)上也就是所謂“奧卡姆剃刀”原則的變換說法,同屬“簡約之美”。奧卡姆不是人名,是英格蘭的一個村莊。14世紀時那兒出了一位叫威廉的邏輯學家。此人流傳下來的東西不多,唯有這一句話膾炙人口:“Entitiesshouldnotbemultipliedunnecessarily”?捎弥形膶⑵浞g成一段八字格言:“如無必要,勿增實體”。意思是說,刪除一切沒必要的多余“實體”,留下最少的。對于理論物理,這一原理最好的表述是:當你面對著導致同樣結(jié)論的兩種理論,選擇那個最簡單的,實體最少的!物理統(tǒng)一理論中的實體,可被理解為基本規(guī)律、粒子、和作用力。也就是說,統(tǒng)一,就是用最少數(shù)目的物理規(guī)律來描述自然現(xiàn)象;用最少數(shù)目的“不可分割基本粒子”來構(gòu)成所有的物質(zhì);用最少種類的“力”來描述物質(zhì)之間的相互作用,這才符合奧卡姆剃刀原則,符合簡約之美!牛頓曾經(jīng)感嘆地說過:“我能計算天體運行的軌道,但無法計算人類的瘋狂”奧卡姆剃刀原則也許難以描述多變的社會現(xiàn)象及復雜的人性,但將其用于科學中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來,這一原理在科學上得到了廣泛應用,從牛頓的萬有引力到愛因斯坦的相對論,再到如今的標準模型,漫長延綿"1.觀察時間的起點
  從遠古時代起,人類就開始了對天體運行及宇宙起源的探索和思考,無論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀,還是中國神話中的盤古開天地,都將天地宇宙描述成是處于永恒的運動和變化之中。既然宇宙并非靜止不變,那么,它是否有一個起點和終點?它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的?100多年前,大多數(shù)宇宙學家們認為宇宙是均勻而各向同性、沒有開始沒有結(jié)束。但是,1929年天文學家哈勃的觀測事實改變了人們的觀點,證明我們的宇宙正在膨脹。所有的星系都在遠離我們而去,星系和星團間彼此的距離在不斷增大。科學家們根據(jù)所觀測到的宇宙膨脹數(shù)據(jù),認為宇宙起源于大約137億年之前的一次大爆炸,那時候,宇宙中的所有質(zhì)量都集中在一個幾何尺寸很小的“原生原子”上,我們現(xiàn)在所感受到的時間和空間結(jié)構(gòu),包括我們?nèi)祟愖陨恚褪菑倪@個“奇點”爆炸而產(chǎn)生的。大爆炸理論并不完善。但它是迄今為止能夠解釋更多的天文現(xiàn)象而被物理學家天文學家普遍接受的宇宙演化理論。本書介紹的物理學統(tǒng)一理論,與宇宙學中的“大爆炸”理論又有什么關(guān)系呢?兩者看起來好像迥然不同,研究對象的尺度更是天壤之別。統(tǒng)一理論研究的大多數(shù)是微觀世界的規(guī)律:量子力學、量子場論,基本粒子,相互作用,是往微觀方向深入發(fā)展下去。而宇宙學研究的是天文數(shù)字級別的星球、星系、宇宙演化,宇觀尺度的事物。大爆炸理論,也只是一個假說,即使是真實的,也是發(fā)生在130億年之前的事情,和我們現(xiàn)在進行的物理統(tǒng)一理論怎么能聯(lián)系到一塊兒呢?出乎人們意料之外,這兩件事情的確是緊密相連的?梢詫⑽覀兊摹敖y(tǒng)一之路”用能量級別畫出來,可知能量越高越走向統(tǒng)一,這也就是人類為什么要花費非常昂貴的經(jīng)費來建造速度越來越高的加速器的原因,因為那是一條能夠帶領(lǐng)我們探索自然走向統(tǒng)一的“高能”公路。大自然是如此奇妙,巨大浩渺的宇宙,居然是起源于一個小得不能再小的奇點!而現(xiàn)在,理論物理學家們奔向統(tǒng)一孜孜以求的目標,正是指向那個奇點,指向萬物之本源--時間的起點。我們的現(xiàn)代加速器技術(shù),所具有的能量級別還很低,比發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的位置稍高一點。人類也許自以為發(fā)現(xiàn)了很多大自然的奧秘,現(xiàn)代科技如此發(fā)達,統(tǒng)一理論應該指日可待了,看了這張圖之后,你可能才恍然大悟,原來我們還差得很遠。∥覀兙嚯x大統(tǒng)一理論及量子引力時代,的確還差得很遠。并且中間還隔著一段漫長的未知“沙漠”。那沙漠中會有些什么呢?不探索是不知道的,即使有人弄出一個理論,預言了沙漠中的秘密,也仍然需要實驗的驗證。因此,人類仍然孜孜不倦地思考、工作,提高加速器的能量,發(fā)現(xiàn)更多的粒子,探索那一大片新沙漠。不過,話說回來,沒有任何人造的粒子加速器能比得過大自然的力量。我們所追求的目標-能量極大的統(tǒng)一高能公路的終點,實際上就是宇宙之初,時間的起點。根據(jù)宇宙學的大爆炸理論,宇宙是由一個密度極大溫度極高的太初狀態(tài)演變而來的。在大爆炸開始的最初幾分鐘內(nèi),已經(jīng)生成質(zhì)子、中子、中微子等,合成了某些原子核。差不多走到了我們現(xiàn)在高能技術(shù)的水平。那么,多研究一些宇宙爆炸早期發(fā)生的事情,統(tǒng)一理論將會受益匪淺。因此,有時也將大爆炸理論成為宇宙學中的“標準模型”。讀者可能會想,大爆炸已經(jīng)發(fā)生了137億年之久,人們常說,機不可失,時不再來,過去了的就永遠過去了。我們又如何去抓回那遙遠過去的大爆炸的那短短一瞬間呢?我們現(xiàn)在所看到的,是爆炸發(fā)生了137億年之后的宇宙!上面的說法不全對,我們現(xiàn)在看到的,只是爆炸發(fā)生了137億年之后的宇宙嗎?不僅僅是這樣。要知道,光線傳到我們地球上,是需要時間的。地球距離太陽是8分鐘的光程,光線從太陽傳到地球需要8分鐘的時間。也就是說,我們看到的太陽是它8分鐘之前的樣子。八分鐘很短,太陽的變化可能不大,我們不會因此而感到大驚小怪。但是,如果考慮一個距離我們很遠的星系,那就不能小看這個差別了。我們太陽系所在的的銀河系,有一個比它大好幾倍的鄰居,叫做仙女座星系,據(jù)說是勉強肉眼可見的最遠星系。2005年,天文學家測定它離地球的距離大約為250萬光年。那就是說,我們觀察到這個星系的形態(tài)已經(jīng)是它250萬年之前的樣子了。換個角度來說,如果在這個星系中有某一個高等生物觀察我們地球的話,他絕對看不見我們地球上如此發(fā)達的文明社會,他觀察到的應該是250萬年之前的地球,頂多可能看到幾個原始人吧。因此,我們觀測到的天體越遙遠,我們便可能窺探到越古老的過去。通過觀察遙遠的星系,我們有可能研究星系,以至宇宙,最早期的形成過程。此外,大爆炸之后發(fā)生的許多現(xiàn)象,也在現(xiàn)在的宇宙中留下一些蛛絲馬跡。微波背景輻射就是最典型的例子。物理學家認為,微波背景輻射是大爆炸后38萬年左右那段時間遺留下來的輻射熱,是來自宇宙初期的“最古老的光”。對這種“背景光”的研究和測量,給予我們很多宇宙早期的信息。近些年被天文學家們觀測到并確認存在的暗物質(zhì)和暗能量,使人們困惑,但也是大自然提供給我們的重要信息,對這兩類未知物質(zhì)的探索、研究、直到最后破解,必將使我們在統(tǒng)一的大道上邁進一大步。
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愛因斯坦與萬物之理:統(tǒng)一路上人和事的作者是張?zhí)烊,全書語言優(yōu)美,行文流暢,內(nèi)容豐富生動引人入勝。為表示對作者的支持,建議在閱讀電子書的同時,購買紙質(zhì)書。

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