《现实不似你所见》:量子引力之旅听书笔记-刷新对物理学的认知

一、量子引力理论如何发展而来。这个过程围绕一个问题:世界由什么构成。

(一)古希腊时期

德谟克利特提出,物质存在一个最小的构成单位,叫原子,原子不能分割。他是这样论证的:如果你能把一块物质无限分割,那么最后剩下的只能是没有维度的“点”。但是把无穷多的点拼装到一起却不能还原成任何有维度的东西。因此,分割的极限一定是数量有限且不可再分的粒子。
因此,古希腊哲学家告诉我们,世界由时间、空间和粒子构成。

(二)经典物理

英国科学家法拉第和麦克斯韦发现了电磁场。“场”的发现解释了不相邻物体之间是如何形成作用力的,按照这个猜想,也许引力之间也存在着一种引力场,来传递着引力。

经典物理将构成世界的元素增加为五个:时间、空间、粒子、电磁场、引力场。

(三)相对论

狭义相对论提出时间的相对性原理。由于光速有限而宇宙太大,因此在过去和未来之间,存在着一个既非过去也非未来的“中间区域”,它的长短取决于距离的长短。比如,如果一个人在面前跟你打招呼,这个中间区域只能持续几纳秒。而如果这个人身在火星,这个招呼要经过一刻钟才传到地球,那么这一刻钟时间的“中间区域”既不在过去也不在未来。这证明,时间和空间是紧密不可分的,二者统一成了一个事物:时空。

广义相对论提出了时空弯曲理论。空间的弯曲扮演了引力场的角色。同样,时间也随着引力的大小弯曲,引力大的地方时间流逝得慢,在引力小的地方时间流逝得快。于是,时空与引力场合二为一。

相对论将构成世界的元素缩减为三个:引力场、电磁场、粒子。

(四)量子力学

量子力学发现,能量不是均匀、连续变化的,而是一小包一小包按份分配。这个最小能量包的携带者就是量子。量子是粒子的基本能量单位。以此推论,电磁场能产生电磁波,电磁波能传递能量,而能量又是一包一包传递的,那么,电磁场就变成了一个能量包的集合,也就是量子的集合,所以电磁场可以被“量子化”。由此发现,自然界中出现的每一种粒子都有一个相关的场。所以,粒子和场其实只是一种实体,称为“量子场”。

世界的构成元素缩减为只剩两种:引力场和量子场。

(五)量子引力

量子引力理论致力于融合引力场和量子场,也就相当于融合相对论和量子力学。融合的关键在于空间的大小是否存在一个下限。量子引力理论提出,空间存在一个最小的体积单位,空间就像物质一样,是由粒子积木拼装而成的。

同时,时间的概念消失了。它认为时间只是辅助观测两个物理量的中介,我们一直以来测量的是两个量的相关变化,比如脉搏跳动次数和钟摆摆动次数的相关变化,而从未测量时间本身。时间就像是做几何体画的辅助线。

空间破碎,时间消失,通过这种方式,时空实现了量子化。于是,世界最终的构成要素归结为一种:协变量子场。

二、量子引力带来的颠覆性认知

(一)重新认识时间

时间和热量相似。有时间流逝的一切现象都和热量有关。只有热量区分了过去和未来。热量是所有物理变量中唯一与不可逆现象有关的变量,它就充当了时间的角色。不是时间流逝产生了热量消耗,而是反过来,是热量消耗产生了时间的流逝。

(二)世界万物互联

量子力学发现,粒子只有在相互作用的时候才可以被描述,当它独自一人不发生作用时,它就像幽灵一样不存在于任何地方。可以说,量子世界的基础就是社交。圈量子引力猜想,当两个相隔遥远的空间粒子之间加上一条链接,就能实现瞬间通信,这解释了量子纠缠的问题。早期炙热的宇宙具有足够大的能量,能打开几乎所有粒子之间的链接,万事万物紧紧相连。随着宇宙的冷却,链接开始不断中断,就像是一张揉成一团的纸,慢慢展开铺平,衍生出了现在的时空。万物互联的梦想也许早就写入了宇宙的基因。

(三)宇宙的诞生不是大爆炸,而是“大反弹”。

大爆炸理论认为,宇宙起源于一个体积无限小的奇点。而当把量子引力考虑进来时,空间不存在无限小,奇点这个反常的概念就不存在了。量子引力认为,诞生时期的宇宙由于自身巨大的重量被挤压得极其微小,当到达空间的最小尺度时还在不停地挤压,这时,压力就变成了阻力,像弹簧一样触底反弹,膨胀至今。这个解释完美地避开了“奇点”这个诡异的概念,让宇宙在起始点上变成是有意义的,也是可以研究的。

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