物理學為什麼停滯不前了?因為還有62種烏云!盡頭是萬有理論

天空之城 2022/09/20 檢舉 我要評論

為什麼現在的物理學停滯不前了,物理學的盡頭為什麼是終極理論,它到底是什麼?

在回答這些問題之前,你現在可以提出,你能想象到關于宇宙最大的一個疑問。

比如物質是怎麼來的,時間有沒有盡頭,是什麼導致宇宙發生了大爆炸,暗物質和暗能量是什麼?

對于這些提問,如今的物理學已經有了可能的回答,但是這些回答都相對獨立。

比如,正反物質對稱性破缺可能會解釋宇宙為何發生了大爆炸。

在標準模型的預測中,惰性中微子可能會解釋暗物質的組成元素。

但是,我們無法只用一種理論就能解釋以上所有的問題。

這就證明,目前的物理學還遠沒有統一,天空中還有很多烏云。

從本期內容開始,我將持續更新物理學烏云系列,我自己不喜歡碎片化學習,即便是自媒體時代,也盡量做系統化內容。物理學烏云系列是系統解讀物理學尚未解決的難題系列。目前物理學難題有62種,此系列已經講過 真空災變,引力量子化,暗物質粒子等烏云。后續這62種烏云我都會講到,這一系列我會慢慢更新,后續估計得更新好幾年。

在這些烏云中,最大的一朵只有一種。這也是本期內容的核心內容。在物理學烏云系列中,我會先從最大的一朵烏云講起,這樣你們就有了一個整體框架,之后更新的內容會在這個框架內開展。這樣學習起來會更系統,也更有效率。

回歸正題,如果你對所有物理現象都不斷追問原因,那最后的原因一定是因果律失效的終極問題。反過來講,如果我們從這個終極問題出發,就能抵達任何物理現象。

在科學史上,物理學家幾乎都奉行著簡單而統一的信念,物理學家在對待兩個表面上看起來毫不相關的自然現象總喜歡嘗試著統一,尋找它們之間更深層次的共同原因,逐步逼近終極問題。

終極問題對應著終極理論。終極理論也就是萬有理論(ToE)

縱觀整個物理學史,正是由于我們一直向往終極理論,才推動了科學的發展。

早在17世紀,人們一直以為天體運動和拋物運動是由不同的物理機制控制。

直到牛頓的出現,才將地球上物體運動和天體運動統一起來,我們才知道天體運動和蘋果落地原來是由同一種力量控制。

1865年之前,人類雖然已經知道了磁鐵的存在,也知道雷電現象。但是絕對想不到磁鐵和閃電有什麼相同之處。直到麥克斯韋方程組的出現,才將這兩種「毫不相關」的現象徹底統一起來,現在我們知道,光,電,磁,化學反應這四種完全不同的現象,其實都是由電磁作用引起的。

20世紀初,量子力學的出現,統一了原子理論和牛頓力學。

1905年,狹義相對論統一了質量和能量,時間和空間。

1915年,廣義相對論統一了時空和引力。

20世紀40年代,物理學家統一了電磁理論,狹義相對論和量子力學,從而提出量子電動力學。

20世紀60年代,弱力和量子電動力學又被統一,形成了電弱理論。

如今,物理學學家一邊在統一強力和電弱理論,也就是大統一理論(GUT)。

另一邊,又在統一量子力學和廣義相對論,也就是量子引力理論。

之后,量子引力理論將于大一統理論再次統一,也就是預期中的萬有理論

從字面意思上理解,合格的萬有理論是能夠解釋宇宙中一切的自然現象的。

而宇宙無非是物質的,且物質是變化的。

所以萬有理論只需解釋物質的構成,和物質的變化 這兩個問題即可。

基于這兩個問題,萬有理論就構建起了兩個框架

第一個框架就是描述物質的構成,第二個框架就是描述物質的變化規律。

我們先來看第一個框架,宇宙的一切都是由物質,場,和能量構成的,而場和能量又可以等價成物質,所以我們只需研究物質是如何構造起來的,則就可以完成第一個框架的構建。

現在我們知道,目前所有的物質可能都是由62種基本粒子構成(包含引力子)。這些基本粒子有負責構成物質的費米子,也有負責傳遞力和賦予質量的玻色子。除了暗物質,目前我們所認識到的所有物質,其基礎材料都可以在標準模型中找到。

但對于第一個框架,雖然標準模型已經可以很好地解釋,但是還未統一。

第二個框架用于描述物質之間的各種變化規律。

宇宙中的變化看似包羅萬象,比如:木材的燃燒,海水的流動,原子彈的爆炸,植物的光合作用等等,但是萬變不離其宗,宇宙中所有的變化無非都是四種最基礎的變化引起的。

這四種最基礎的變化就是四種基本作用力。物理法則不認同超距作用,任何作用力都必須存在一種信使粒子來傳遞力。所以 四種基本作用力就是相互交換信使粒子的產物。

電磁力是物質之間交換光子的產物。燃燒的本質就是分子化學鍵的斷裂和重組,其過程由電磁力主導,且交換光子。

包括光合作用,海水的流動,摩擦生熱的過程中都會交換光子,其本質都是由電磁力引起的。

弱力是物質相互交換W和Z玻色子的產物。原子核中的質子和中子會相互變換,這種變換的本質就是交換W和Z玻色子引起的。

強力是物質相互交換膠子的產物,夸克之間交換膠子才形成了強力,從而形成夸克禁閉效應。

引力是物質相互交換引力子的產物,理論上,天體之間交互了引力子才維系了引力(待證實)。

宇宙中最基礎的變化,正是由四種基本力在不斷交換信使粒子時 引起的,在四種基本力的原始推動下,產生了多米諾骨牌效應,進而推動了整個物質世界的運動,產生了譬如,超新星爆發釋放的伽馬射線,黑洞合并 釋放的引力波, 地球自轉形成的磁場等等千變萬化的現象。

現在再仔細分析萬有理論的兩個框架,第一個框架負責解釋物質的構成,第二個框架負責解釋物質在四種基本力作用下的變化。

對于第一個框架,雖然標準模型已經給出了62種基本粒子,但是如果要統一物質的構成理論,就需要找到這62種基本粒子之間更深層次的一致性,只需通過一種理論就可以延伸出這62種基本粒子。

目前物理學正在用超弦理論試圖統一這些基本粒子。

認為最基本的物質就只有一種,這是接近普朗克尺度的弦,弦的不同形式的震動才衍生出不同的基本粒子。

同理到第二個框架,四種基本作用力也必須統一,也就是說,四種基本力一定存在一種更深層的一致性,通過這種一致性,從而才衍生出四種基本作用力。

而目前,物理學只統一了弱力和電磁力,弱力和電磁力只是在低能量狀態下才表現得像不同的力,但能量只要足夠大(100GeV),弱力和電磁力就會表現成同一種電弱作用力。這就是電弱理論。

所以我們就可以設想,如果外部條件合適,強力和電弱作用力是不是也會統一表現成同一種力?電弱理論如果統一了強力就會晉升成大統一理論。

如果大統一理論完成,那剩下的就只有引力了。

大統一理論之所以不包括引力,是因為引力十分特殊。強力,弱力和電磁力起碼已經明確了它們的信使粒子。但目前,我們甚至連引力的信使粒子(引力子)都沒有找到。為了不讓引力拖大統一理論的后腿,所以物理學家另辟蹊徑,讓電弱理論先統一了強力再說。至于引力,則嘗試用新的理論單獨統一,這就是量子引力理論。

兩條支線任務同時并進,電弱理論統一強力后,晉升成大統一理論,量子力學統一引力后,晉升成量子引力理論。

兩條支線任務完成后,之后再統一量子引力理論和大統一理論,到那時,四種基本作用力則徹底被統一,萬有理論則大事可成。

但回顧物理學史,貌似這樣的思路往往潛藏著巨大的隱患。參考以太的發展史,就會發現,物理學的方向往往事與愿違。

事實上,萬有理論遠比想象的困難多了

我先說兩個最大的問題,一個是理論上的問題,另一個是哲學上的問題。

我們先說說理論上的問題,在物理學統一的過程,似乎一直忽略了暗物質和暗能量。

暗物質和暗能量之所以存在,是因為[大尺度]下的天文現象和現有的引力理論不符。

造成如此的局面無非就是兩種可能

第一種可能:暗物質和暗能量不存在,引力理論需要修改。

第二種可能:暗物質和暗能量存在,這就證明物理學中存在很大的不確定性因素。

這兩種可能的任何一種 都極大地阻礙了萬有理論的統一之路。

除了理論上的困難,還有哲學上的困難。

首先我們思考一下,物理理論的本質是什麼?

物理理論的本質無非就是對自然現象的歸納和總結,但并不能解釋自然現象為何如此。

我們不生產現象,我們只是現象的歸納工。

如果自然現象本就是獨立的,而不存在一個可以延伸出各種自然現象的最基本現象。

那麼萬有理論就不可能成功。

因為萬有理論的意義就是將所有自然現象歸納到一個理論中,從這個最基礎的萬有理論出發,就可以解釋任何自然現象。

物理理論只能基于現象,如果現象本不如此,則理論則也該不如此。

最后,說一下我自己的感想,我認為萬有理論可能永遠不會實現,因為真正意義上的萬有理論意味著物理學的停滯,我們僅基于一個理論就足以解釋宇宙中的所有現象,這是十分悲哀的。

自然規律還不足以可憐到人類僅有幾百年的時間就被完全掌握了。

追求物理學的統一是探索宇宙的驅動力,而不是終點。我始終相信一句話:已知圈越大,未知圈就更大。

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