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不二

2012-04-13 11:50 作者:苗千来源:三联生活周刊 2012年第15期
无法想象量子力学与广义相对论何时,以何种方式可以实现统一,更无法预知两种基础理论在统一之后会给人类对于自然的认识带来怎样的改变。

物理学是一门通过数学语言来描述自然和预测自然的科学,它的特点是准确、明晰、直接。各领域的物理理论反映了人们对于自然各种现象的认识,同时,物理学也揭示了在各种现象以下,自然界有着统一的本质。正如诗句所说:“危险的事固然美丽,不如看她骑马归来。”与数学研究可以脱离自然界的束缚不同,物理学不仅要在形式上简洁优美,最重要的是一切理论都需要通过实验的检验才能成立。在物理学的发展历史中,曾出现过对于同一个现象的描述出现两种截然不同的物理理论与相对应数学形式而相互僵持不下的情况,就是因为当时人们对于自然界的认识还不够深入,而每一个矛盾的解决,往往就是一个物理学的大发展,也使人们对于自然界的理解更加深入。

19世纪与20世纪之交,当有些科学家开始沾沾自喜地以为人类已经认识到了自然界的一切规则时,一些研究热力学的物理学家对于黑体(理论上可以吸收一切外来辐射的物体)辐射问题的研究却陷入了一个两难的尴尬境地。科学家们根据不同的理论,针对黑体辐射提出了两种截然不同的理论,也出现了两种截然不同的计算形式。一种尴尬的情况出现了,两种理论、两个公式与实验结果相比较,分别适用于黑体辐射的低频率和高频率范围,出现了“分频率而治”的现象。物理学追求完整、统一,不可能接受只能适用于某一局限范围的理论,或是用两种理论同时解释一个现象。这个困境终于被富有开创性的物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)打破。他首先使用数学手段在数学形式上统一了两个互不相容的公式,之后通过仔细研究公式的形式发现,为了能够在理论上解释这个新的符合实际测量结果的热力学公式,必须引入量子化的概念,即能量不是以连续不断的形式,而是以“一份一份”的形式被辐射出来,这正是“量子”概念的由来,也由此开创了量子力学的时代,人类对于自然界的认识随之更加深入。

尽管人们对于量子力学的本质还没有完全理解,但是毫无疑问,量子力学早就主宰了微观领域的物理学,经过100多年的发展,量子力学已经成为物理学的两大支柱之一。物理学家们早都接受了量子化的概念,熟练地运用量子力学的公式进行计算,可以说,没有量子力学,就没有现代文明。与量子力学几乎同时发展起来的广义相对论,称得上是现代物理学的另外一根支柱,与量子力学不同,广义相对论主要描述的是大尺度背景下的时空的性质,它由爱因斯坦创立,几乎同时与量子力学发展起来,人们通过广义相对论来理解宇宙。

不二

物理学家马克斯·普朗克

如今通过量子力学和广义相对论的描述,人类对于自然界的理解已经远远超越了100年前对于宇宙的机械化的理解。从基本粒子的行为到宇宙的形态,从微观到宏观,现代物理学的这两大支柱,几乎可以解释人们现在所观察到的一切自然现象。但是事实远没有看上去的那么美,物理学的这两大支柱各自主宰了微观和宏观领域,却彼此难以相容,因此造成了物理学历史上最大的裂缝。尽管无数一流的物理学家试图解决这个难题,但经过了80多年的努力,现在人们对于这个困境还是一筹莫展,不知如何是好。

这两个物理学的基本理论都具有复杂的数学形式,经过了100多年,无数实验的检测,这两个理论都在各自的领域里表现出了惊人的准确性和预见性。但是这两个凝结着人类最高级智慧的物理理论,在诞生之初就彼此不能相容,不仅统治的领域有别,对自然的物理学解释也不相同。1916年,在广义相对论诞生之初,爱因斯坦就曾经指出,为了与广义相对论相统一,量子力学必须做出修改。量子物理学家在研究尚未深入的时候认为可以把电磁力与引力相类比,因此量子力学与广义相对论的结合并不会花费太大力气,科学家们很容易地实现了对电磁场的量子化,他们认为对于引力也可以如法炮制。著名的物理学家海森堡和泡利在1929年就曾写道:“人们应该注意到,对于引力的量子化应该不会有任何困难,就如同我们对于电磁场的量子化。”

但是过于放松的物理学家们没过多久就意识到了他们之前的估计太过乐观。在自然界的四种基本相互作用中,量子力学主要包含了其中的三种:电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用;而广义相对论则通过讲述质量、能量和时空的关系来描述第四种相互作用——引力。这两种理论存着巨大的根本性的分歧。广义相对论可以算做牛顿经典力学的延伸,在广义相对论的描述中,质量和能量都具有“经典”的意义,而且一切物理量也都具有明确的大小和方向,可以被精确地计算;而量子力学描述的物理景象却不相同,在微观世界中,时空只是平坦的背景,由于测不准原理,物理量通常并不具有精确的大小和方向。这两个理论不仅在数学形式上存在巨大的差异,而且对于自然界的理解上也存在着根本差异,这个根深蒂固的矛盾与在科学哲学层面上的分歧,远远大于一个多世纪之前人们对于黑体辐射问题的不同理论解释之间的差异,成为当代物理学一个令人颇为尴尬的现象:两个对于自然界理解如此不同的理论,在各自的领域中都表现出合理性,当人们试图把它们统一起来时却又显得荒谬,就连在数学形式上都很难做到表面上的统一。

如今人们宽泛地把可以结合量子理论与广义相对论的理论称为“量子引力”理论,可惜的是,经过了80多年的努力,人们还没有找到一个完整的,可以自圆其说的量子引力理论。因此,量子力学与广义相对论的结合就成了如今物理学的“圣杯”,无论如何,这两个基本物理学理论的结合将成为理论物理学历史上最大的成功,也必然将再次大大推进人们对于自然界认识的深度。

两种对自然的理解方式,两种理论,两种数学手段。物理学的两大根基如此对峙,带给物理学家的不止是尴尬,还有对未来物理学发展方向的迷茫。几十年来,很多种理论、假说被提出来,希望可以结合这两种理论,最具代表性的就是弦论和圈量子引力理论,但是因为这些全新的理论全都缺少实验证据,因此还只能停留在漂亮的假说阶段。假说之所以难以被验证,主要是因为量子理论与广义相对论的矛盾之所在,大多集中在极微小并且能量极大的时空尺度上,这种尺度被称为普朗克尺度,普朗克尺度中的长度被称为普朗克长度,只有1.616×10-35米,这个长度被认为是时空中长度的最小单位,如果拿普朗克长度与一个原子相类比,就相当于拿一个原子与整个太阳系做类比!这个长度远小于目前人类可以测量的范围,而普朗克能量则远大于目前粒子对撞机所能产生的最大能量。物理学讲究所有的假说都需要实验的验证,因此对于目前这个物理学最大的难题,科学家们仍然显得束手无策。

引力究竟是一种量子化现象,还是时空自身的性质?为何引力如此特殊,不能与其他几种相互作用统一起来?为什么对于不同的尺度需要有两套理论来解释,尺度的变化对于物理学又意味着什么?这都有待于还在建设中的量子引力理论提出解释,更重要的是,尽早使各个理论得到实验的验证。科学家们理想中的量子引力理论将这两个存在深刻矛盾的理论合二为一,彼时人们对于时空、物质、能量以及因果性的认识必将进一步加深。科学家们目前最为关心的是量子引力理论如何描述时空的微观结构。根据量子力学,在普朗克尺度上,在极小的空间里又蕴含着极大的能量,这便形成了一个个微小的黑洞,而这种极微小的黑洞又具有怎样的性质,它们与早期的宇宙又有怎样的相似之处,这些黑洞是否会产生霍金辐射而迅速地消失掉?在极小的尺度上广义相对论是否会失效?这些问题令科学家们无法回答同时也无法回避。

2012年3月份,奥地利维也纳大学的科学家斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)和马库斯·阿斯佩尔迈耶(Markus Aspelmeyer)与伦敦帝国理工学院的科学家金明植(Myungshik Kim)在《自然·物理》杂志发表了一篇论文,探讨在现有技术条件下检测量子引力理论,他们提出了一个实验方案,在现有的技术条件下,通过激光脉冲测量一个粒子的位置和速度,来检验量子力学的测不准原理是否需要修正,因而也就可以验证量子引力理论的一些假说。尽管只是提出了一个实验的构想,但是这标志着科学家们已经不再满足于种种理论假说,而希望通过实验手段来弥合两种物理学基础理论的根深蒂固的矛盾。

人们无法预知物理学的发展历程,无法想象量子力学与广义相对论何时,以何种方式可以实现统一,更无法预知两种基础理论在统一之后会给人类对于自然的认识带来怎样的改变。对于物理学的不二法门的探索与思考,正是这门科学自身的魅力之所在。

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