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爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想

时间:2019-07-17|栏目: 天文 • 物理 |点击:2


    爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想

    来源:Rachel Suggs for Quanta Magazine


    一百多年前,爱因斯坦提出的相对论实现了物理学革命,帮助物理学家提出关于空间、时间,甚至信息的本原问题。但是,爱因斯坦理论中最具革命性的部分却很少受到关注。它与引力波无关,没有黑洞的引力,甚至没有夸克的魅力。但隐藏在这些奇异现象背后的,是一个看似简单的想法。它关联一切,并照亮前方探索的道路。


    撰文 | K.C. Cole

    翻译 | 董依明

    审校 | 吴非 韩晶晶


    “关系”才是最重要的


    这个简单的理论就是:外在的改变不代表真的改变。虽然自然似乎以各种意想不到的方式改变了外在形式,但其最基本的内核却保持不变。例如,爱因斯坦1905年的相对论论文得出了一个不容置疑的结论:尽管能量和质量本身可以有截然不同的形式,但能量和质量之间的关系是不变的。太阳能抵达地球,通过光合作用创造出食物、为我们的思考提供能量。(“我们的思想是什么?这些具有意识的原子是什么?”理查德·费曼曾问道,“答案是,上周的土豆!”)


    这就是E = mc2的意义。c代表光速,一个非常大的数字,所以从公式中可以看出,不需要太多的物质就能产生大量的能量;事实上,太阳每秒都将数百万吨的质量转化为能量。


    无穷无尽的物质转化为能量(反之亦然),为宇宙、物质和生命提供动力。然而,经历了这一切,宇宙中的能量、物质总量却从未变过。这很奇怪,但却是事实:物质和能量之间的关系才是更重要的。


    布朗大学的物理学家斯蒂芬·亚历山大(Stephon Alexander)说,我们倾向于认为物体本身,而非关系,是现实的核心。但大多数情况下,情况恰恰相反。


    爱因斯坦也证明了这一点。即使空间收缩、时间膨胀,空间和时间的关系也保持不变。就像能量和物质一样,空间和时间只是可以改变的表象,而在这背后,是两者间不变的关系。


    “爱因斯坦深刻意识到,空间和时间是由事物之间的关系建立起来的。”物理学家罗贝特·戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)说。他是普林斯顿高级研究所的所长,也正是在那里,爱因斯坦度过了人生的最后几十年。


    对爱因斯坦理论影响最大的关系是对称性。科学家经常把对称性描述为“不会真正改变的改变,不会造成差异的差异,使深层关系保持不变的变化”。虽然听起来很复杂,但生活中有很多例子:将一片六边形的雪花旋转60度,它看起来还是一样的;在跷跷板上调换位置也不会破坏平衡。更复杂的对称性让物理学家发现了从中微子到夸克的一切,甚至帮助爱因斯坦发现,万有引力是时空弯曲的表现。


    而在过去的几十年里,基于对称性理论预测的新粒子并没有如期被实验发现;而被探测到的希格斯玻色子又太轻,无法符合任何已知的对称结构。这让一些物理学家开始质疑,继续关注对称性是否仍像过去那样富有成效。对称性也没能为我们解释,为什么引力如此微弱、为什么真空能如此之小、为什么暗物质是透明的。


    “在粒子物理中,对称性被普遍认为是自然的基础,但这是一种偏见,”宾夕法尼亚大学的物理学家贾斯廷·库利(Justin Khoury)说,“对称性很强大,但也许我们要放弃这些迄今为止行之有效的、优美的原则。现在是一个非常有趣的时刻。”


    恒定的光速


    1905年,爱因斯坦在撰写第一篇相对论论文时,还没有考虑到不变性或对称性。但历史学家推测,后来他在瑞士专利局任职期间与物理界的隔绝,可能帮助他看穿了一切。


    爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想


    和同时代的其他物理学家一样,爱因斯坦也在思考一些看似不相干的难题。比如,揭示电场和磁场间密切联系的麦克斯韦方程组在不同的参照系中看起来非常不同,无论观察者是在移动还是静止的。此外,电磁场在空间中传播的速度几乎与光速完全吻合,而光速无论如何都不会改变。观察者可能正朝着光线奔跑或者从光线中冲出来,并且速度没有变化。


    爱因斯坦把这些观点联系起来:光速是电场和磁场之间对称关系的可测量表现,这是一个比空间本身更为基本的概念。光的运动不需要穿过其他物质,它本身就是运动中的电磁场。这么看,“静止”的概念是多余和荒谬的。事件在一个观察者看来可能是同时发生的,但在另一个观察者看来则不是,而且这两种观点都正确。


    爱因斯坦第二篇相对论论文,讨论了追逐光束时出现的另一种奇特效果。“一个物体的惯性是否取决于它含有的能量?”答案是肯定的。质量是质点惯性的度量,质量越大,惯性就越大。物体接近光速时,质量将变得无穷大。所以,运动的能量转化为质量。“质量和能量没有本质区别。”爱因斯坦写道。


    “他仍然没有形成时空完全统一的思维方式。”麻省理工学院的物理学家和科学史学家戴维·凯泽(David Kaiser)说。的确,爱因斯坦花了好几年才真正接受,时间和空间是不可分割的整体。


    时空统一是个很难理解的概念。但是,如果我们思考“速度”的真正含义,它就开始变得有意义了。光速和任何速度一样,都是一种关系——随着时间的推移而移动的距离。但光速的特殊之处在于恒定。因此,距离和时间的观测结果会因为一个人的运动状态而改变,从而导致所谓的“空间收缩”和“时间膨胀”。但不变的是:两个人无论相对运动的速度有多快,“时空间隔”是不变量。坐在办公桌前,你穿越了时间,但没有穿越空间;宇宙射线接近光速飞越遥远的距离,但几乎不穿越时间,永远保持“年轻”。无论怎样,这种关系都是不变的。


    引力:时空曲率


    狭义相对论又称“特殊相对论”,因为它只适用于时空中稳定不变的运动——不像地球上物体下落那样的加速运动。令爱因斯坦烦恼的是,他的理论没有包括引力,而他努力将引力纳入其中,使对称性成为他思考的核心。


    爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想


    如果引力依赖于质量,那么一个物体的质量越大,它的下落速度就应该越快。但事实并非如此。把一团揉皱的纸和一串沉重的钥匙并排扔到地上,你会发现它们几乎同时落地,曾经伽利略也通过从比萨斜塔上扔下质量不等的铁球,得出了结论:忽略空气阻力,所有物体都会以同样的速度下落。


    爱因斯坦有一个著名的思想实验,他想象一个人从楼上掉下来。这个人会像宇航员一样漂浮在太空中,直到地面挡住了他的去路。当他意识到自由下落的人会感到失重时,他将这一发现称作一生中最令他开心的想法。虽然他花了不少时间来明确广义相对论中的所有数学细节,但当他证明引力是时空本身的曲率时,引力之谜就解开了。“坠落”的物体,如爱因斯坦想象中的人或伽利略的铁球,都沿着弯曲的时空路径运动。


    狭义相对论问世10年后,广义相对论首次发表,并引出了新的问题:能量似乎不可能在强弯曲时空中守恒。众所周知,自然界中某些量总是守恒的,例如能量(包括质量形式的能量)、电荷、动量。德国数学家埃米·纳脱(Emmy Noether)曾证明,每一个守恒的量,都对应着一种特殊的对称性,这是一种不会带来真正的改变的变化。


    纳脱证明了广义相对论的对称性,它在不同参照系之间转换时的不变性确保了能量总是守恒的。爱因斯坦的理论得救了。自那以后,纳脱和对称性都占据了物理学舞台的中心。


    粒子的规范对称性


    爱因斯坦之后,对称性的吸引力只会变得更加强大。保罗·狄拉克(Paul Dirac)试图让量子力学与狭义相对论的对称性要求相容,他在一个方程式中发现了一个表明“反物质”必须存在的负号。它确实存在。不久之后,沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)试图解释,放射性粒子在衰变过程中为什么会丢失能量。他推测,丢失的能量可能被某种未知的粒子带走了。是的,这种粒子就是中微子。


    从20世纪50年代开始,不变性有了自己的生命,变得越来越抽象。用凯泽的话说,“跳出”了时空的对称性。凯泽说,这种新的对称性被称为“规范对称性”,变得极富成效。凯泽表示,要求存在从W和Z玻色子到胶子的所有东西,“因为我们认为这种基本的对称性必须不惜一切代价得到保护,所以我们发明了新的东西。”规范对称性决定了你必须引入的其他成分。”


    爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想


    规范对称性描述了粒子系统的内部结构,而这些粒子构成了我们的世界。物理学家们在不改变任何重要东西的情况下,可以改变、旋转、扭曲和扰乱方程式的所有方式。亚历山大说:“对称性告诉你可以用多少种方式翻转物体,改变力的作用方式,但它不会改变任何东西。”


    规范对称性的抽象思维在某些方面导致了一些问题。“你没有看到整个装置,你只看到了结果,”戴克赫拉夫说,“我觉得规范对称性仍存在很多难以理解的地方。”


    规范对称性通过众多不同的方式描述一个简单的物理系统,正如宾夕法尼亚大学物理学家马克·特洛登(Mark Trodden)所言,这是一种冗余,规范场论的特性让计算变得极为复杂。无数的复杂计算得出了一个简单的答案。这会让人产生疑问:为什么会这样?这其中的复杂性又是从何而来?


    这种内在的复杂性与一般对称性的简单原则背道而驰。对于后者,就像贴瓷砖一样的不断重复,“只需看到一小部分,你就能预测剩余的全部。”戴克赫拉夫说。你不需要满足能量守恒定律,也不需要另一个满足物质守恒的定律。宇宙是对称的,因为它在大尺度上是均匀的;它没有左、右、上、下等方向。“如果不是这样,宇宙学将会是一团乱麻。”库利说。


    打破对称性


    最大的问题是,我们现在对对称性的理解似乎不能解决物理学中一些最为重大的问题。诚然,对称性告诉物理学家怎么寻找希格斯玻色子和引力波,这无疑是两个伟大的发现。但与此同时,基于对称性预测的一系列问题尚未在实验中被证实,其中包括“超对称”粒子。这类粒子可以作为宇宙的暗物质,并且解释与电磁力以及其他力相比,引力为什么会这么弱。


    某些情况下,现实似乎打破了自然界基本定律中的对称性。例如,当能量遵循E = mc2凝结成物质时,结果是等量的物质和反物质——这是一种对称。但是,如果大爆炸的能量产生了等量的物质和反物质,它们就应该相互湮灭,不留任何物质的痕迹。但是,我们却存在着。


    完美的对称性本应存在于早期宇宙的高温时刻,但当它冷却下来,这种对称性就被破坏了,就像完全对称的水滴在结冰时失去了一部分对称性一样。(一片雪花可能在六个不同的方向看起来是一样的,但融化的雪花在每个方向看起来都是一样的。)


    是什么打破了物质和反物质之间的对称性呢?


    爱因斯坦伟大理论背后,是一个关乎万物的简单思想


    如果今天的物理学被证明对我们有些误导,这没什么好惊讶的,就像爱因斯坦之前误导人们的“真空”概念一样。有人认为,今天的误导甚至可能与痴迷对称本身有关。


    许多物理学家一直在探索一个与对称性密切相关的概念——对偶性。在物理学中,对偶性并不是什么新鲜事。波与粒子的对偶(即我们熟知的“波粒二象性”)自量子力学诞生以来就一直存在。但是新发现的对偶性却揭示了令人惊讶的关系。例如,一个没有引力的三维世界在数学上等同于一个有引力的四维世界。


    如果对不同空间维度的世界的描述是正确的,那么“在某种意义上,可以认为一个维度是可替代的”。特洛登说。


    “这些对偶性包含的元素,也就是维度的数量,在我们看来应该是不变的,”戴克赫拉夫说,“但它们不是。”两个等价描述的存在,以及随之而来的所有计算,提出了“一个非常深刻、几乎是哲学的问题:是否存在一种不变的方式来描述物理现实?”


    没有人放弃对称性,部分原因是它非常强大,而且对许多物理学家来说,放弃对称性意味着放弃“自然性”,放弃探究宇宙和事物运行的方式。


    显然,自然的某些方面是历史和偶然的结果,而不是对称性,就比如行星的轨道。生物演化是已知的机制和偶然的结合。作为对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的回应,马克斯·玻恩指出,“自然以及人类事务,似乎既受必然性的支配,也受偶然性的支配。”也许他是对的。


    物理学的某些方面必须保持不变——例如因果关系。“结果不能先于原因。”亚历山大说。


    光速奠定了爱因斯坦理论的基础,但在未来应该不会起什么关键的作用。爱因斯坦在一个世纪前编织出了时空的光滑结构,但在黑洞中,或大爆炸的时刻,这个结构不可避免地被撕成碎片。“如果时空正在崩溃,光速就不可能保持恒定,”亚历山大说,“如果时空正在崩溃,什么是不变的?”


    某些对偶性表明时空是从更基本的、也是最奇怪的关系中产生的,也就是爱因斯坦所说的纠缠量子粒子之间“幽灵般的”联系。许多研究人员认为,这些长程关联将时空缝合在一起。正如凯泽所说,“希望像时空连续体这样的东西能成为更基本关系的次要影响,包括纠缠关系。”在这种情况下,经典的、连续的时空将是一种“幻觉”。


    新观点的高门槛在于,它们不能与量子力学和相对论等一贯可靠的理论相悖——包括支持它们的对称性。


    爱因斯坦曾经把建立新理论比作爬山。站在高处,你可以看到旧理论仍然存在,但它已经变了,它拥有了更具包容性的风景。与费曼“上周的土豆”的类比不同,未来,思想家们可能会用量子纠缠中编码的信息来思考物理学,量子纠缠直接编织时空,把“土豆”培植在最开始的地方。


    原始链接:

    https://www.quantamagazine.org/einstein-symmetry-and-the-future-of-physics-20190626/


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