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海阔天空

——士兵乙的读书笔记

 
 
 

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存在之轻-质量、以太和力的统一性  

2013-02-24 15:39:30|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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存在之轻-质量、以太和力的统一性 - 士兵乙 - 海阔天空

 

 

过年的时候,在网上看到了一个类似对联的句子:

上联:数学是火,点亮物理的灯;物理是灯,照亮化学的路;化学是路,通向生物的坑;生物是坑,埋葬理科生。

下联:文言是火,点亮历史的灯;历史是灯,照亮社会的路;社会是路,通向哲学的坑;哲学是坑,埋葬文科生。

感觉颇有意思。上联基本上体现了各学科之间的基础关系:依托理性思维的数学构建出描述世界万物运行的方程,这些方程反映了物理实在的本质和运行规律;物理学揭示了所有粒子存在的根源,阐述了夸克如何禁闭、原子核如何形成、核外电子如何沿着量子化的轨道旋转不息,讲述了世界为什么能够存在;化学关注着原子核外的电子,通过描述各种化学键的建立和断裂解释这个世界纷纷扰扰的变化;最后,数量巨大、关系复杂的各种化学物质分子在生物体内相互作用,让生命繁衍生息、轮回不止。

上联隽永,很有内涵,不过下联可能就有点问题了。因为哲学早已不仅是总喜欢哲学思辨的文科生的工作了。近几个世纪以来,哲学已经成为了一门可以检验的科学,正是理科生们通过大量计算和实验尝试揭示大自然的运行规律,才能搞明白世间万物的本质是什么,我们从何而来,又向何处而去等终极哲学问题。否则的话,“理科生”牛顿的传世之作也不会起名叫做《自然哲学的数学原理》。

研究哲学是一件既痛苦又快乐的事:思索求证的过程往往很痛苦,发现答案的时刻往往很快乐。然而,更多的人穷其一生也探寻不到最终的答案,或是找到一个答案又被引向新的更大的困惑,在不断思索的过程中受尽折磨,甚至癫狂发疯(哲学家确实很容易发疯)。我也曾经感受到了这样的种种困惑,比如我曾经研究过的金鱼科学家问题:一个圆形的鱼缸里面住着一群金鱼,它们透过圆形的鱼缸只能看见被扭曲了的世界。但倘若金鱼中有一个科学家,它仍然能够通过建立扭曲的方程描述它眼中世界的各种现象,并且能够成功做出符合观测的预言。在金鱼科学家的方程里面,自由落体或许都是沿着弯曲的曲线行进的,正如它们眼中的“正常”世界那样。与此同理,我们是否也身处于类似的鱼缸之中,尽管牛顿和爱因斯坦们建立了无数方程描述了符合我们观测的这个世界的运行规律,但这些方程是否也是被扭曲了的?换而言之,我们是否被“鱼缸”中虚幻的假象蒙蔽了双眼?我们如何发现世界的本来面目?

这种问题已经是数学家和物理学家深入研究的对象了。弗兰克.维尔切克的著作《存在之轻》是一本主要研究强相互作用,也就是关于夸克和色胶子理论的书,作者正是由于发现了本书中所描述的夸克渐进自由概念获得了2004年的诺贝尔物理学奖。因为讲的是强相互作用,所以重点放在了量子色动力学(QCD)上,而对量子电动力学(QED)的涉及较少。这也是一本有些让人看着毛骨悚然的书,因为它描述了一种关于世界真相的理论,让我似乎看见了想象不到的世界的本来面目。

当17世纪牛顿发现万有引力定律的时候,他对引力的性质十分困惑。太阳的引力跨过空无一物的虚空作用到地球上,将地球紧紧拉住不断旋转,他觉得这种超距作用十分荒谬。是啊,现在想起来也是很荒谬:两个物体居然能够不接触、也不依赖于任何介质就能相互作用,确实匪夷所思。笛卡尔将古希腊亚里士多德的“以太”哲学概念引入现代科学,认为所有的空间都充满以太,正是通过以太这种介质才能提供“合乎常理”的超距作用。可是根据计算,以太必须符合一些很奇特的性质,比如非常轻但又具有很强的刚性等,这些怪异的性质更加让人感觉荒谬。1887年,迈克尔孙-莫雷实验在验证了光速不变的同时也否定了以太存在的必要性,于是超距作用又成为了必须解释的问题。直到麦克斯韦电磁场理论以及爱因斯坦广义相对论的建立后,以太的概念才算真正退出了历史舞台。前者提供了“场”的概念;后者将引力解释为空间的扭曲:地球之所以绕着太阳走,并不是因为感受到了太阳的引力,而是因为大质量的太阳扭曲了周围的空间,于是地球沿着扭曲的直线走,只是让我们看起来好像在绕着太阳在转。

在历史将以太概念抛弃了一百年之后,如今复活了。《存在之轻》中描述的世界再度推出了“以太”的概念,只不过将其名称更改为了“网格”。在该理论中,虚空并不是真正的空无一物,而是存在着喧闹的量子涨落,虚粒子对从中不断出现和湮灭,为夸克的“渐进自由”提供演出的舞台。换句话说,虚粒子可以从虚空中从无到有的自发地产生出来,这种能力几乎可以看做是空间的一种固有本性。

光子是传递电磁相互作用的交换粒子,静止质量为零。也正是因为光子的质量为0,它才能以麦克斯韦方程计算出的最高速度-光速传播。在标准粒子模型方程中进行推算,传递弱相互作用的W玻色字和Z玻色子的静止质量也应该为0,然而实测却并不如此。维尔切克天才的借鉴了超导体中的研究成果:低温下的超导体中,由于迈纳斯效应导致静止质量为0的光子的运动方程与有质量的粒子运动方程相一致。由此推断,我们所处的宇宙很可能是一个弱相互作用的超导体,导致本来质量为0的W和Z玻色子看起来存在质量。人类似乎比那些鱼缸里面的金鱼科学家聪明得多,因为人类利用强大的逻辑思维理性分析,终于发现了鱼缸外面世界的本来面目。

诺贝尔奖获得者用一本基本没有公式的科普书讲述了粒子质量的起源、重子的形成机制、对称性的科学与美学本质,实在难得。他那些没有在书中列出的公式的计算结果反映了宇宙实在的一种可能模式,展示了一个崭新的宇宙观和世界观,我愿意相信那是真实的。

据说还有不到1个月,CERN关于在LHC上发现希格斯玻色子的正式报告就要出来了,被誉为上帝粒子的希格斯玻色子的发现,标志着标准模型(不含引力子)的功德圆满。前几天中午在微博上看到丁肇中的阿尔法磁谱仪又发现了弱相互作用大质量粒子(WIMP)存在的证据,WIMP被认为是暗物质的组成部分。激动人心的发现陆续涌现,我们这个时代或许会被后世永远铭刻在历史上,因为现在或许就是和一百年前一样波澜壮阔、风起云涌的伟大时代。我很庆幸能生活在这个伟大的时代,既享受着前人孜孜以求甚至穷其一生才发现的世间真相,又能看着当代科学家们花费数百亿美金建造一个大玩具去探寻世界更深层次的物理基础。LHC还要持续地运行下去,或许在我有生之年还能看到超对称粒子、额外维度、暗物质、暗能量的发现,甚至万物至理(TOE,Theory of Everything)的问世。

这是一个对未知世界永远充满好奇心的男人的梦想。

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