抛弃时间和空间,物理学家终于理解了世界


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抛弃时间和空间,物理学家终于理解了世界


探寻世界的本质 , 这原本是一个哲学问题 , 但近代物理学相比哲学 , 因为拥有更准确的描述工具 , 所以更容易产生接近真理的答案 。

现代物理学相信 , 自然世界的任何物质 , 都是不可无限分割的 。 这个观点是什么意思呢 , 我们可以这样理解 , 任何物质都是由有限数目的基本原材料构成的 , 在这些基本原材料上无法以符合物理规律的手段找到任何更深层次的组成结构 , 并且这些基本原材料具有可列性、不连续性 。
基于可列性、离散性 , 我们给这些基本原材料取名为基本粒子 , 如电子、各类中微子、各类夸克等 。 可是由于各项重要实验及量子力学理论的发展 , 我们发现粒子性已经不足以很好地描述基本粒子的性质了 , 我们必须考虑基本粒子的波动性 , 才能在对微观世界的描述中取得与实验结果(统计性结果)符合得更好的预言 。

那么到底是怎样的一个微观客体 , 才能将宏观世界中颗粒性与波动性这两种截然不同的动力学形态融合到一起呢?这个问题目前没有标准的答案 , 原因是量子力学基本原理以下的结构还是非常不清晰的 , 但基于对量子力学的理解 , 我想可以用这样的方式去描述与回答 。
基本粒子是粒子性与波动性的统一体 , 它具备粒子的特征又不是单纯的粒子 , 它具备波动的特征又并非单纯的波;在不受外界作用力干扰(测量)的情况下或干扰非常弱时 , 它表现得更像是波 , 在受到外界作用力强烈干扰(测量)时 , 它会在极短的时间内由波动坍缩为粒子态;它在一定范围内无处不在 , 又以概率分布的形式在一定范围内处处存在 。

因为量子力学处理不了高速微观状态下粒子的湮灭与生成 , 因此效仿麦克斯韦的电磁场理论 , 把一个个基本粒子视为量子化(非对易化)的粒子场的激发态 , 逐渐形成了量子场论 。 在场论中 , 基本粒子被抽象为不占据空间有限体积的0维的点状粒子 。
可是0维的点状粒子模型 , 是让物理学家不安的 , 因为我们没办法去理解不同的点状粒子 , 既然都是0维0体积的粒子 , 又为何会生成不同的自旋量子数、静质量、各种力荷等性质 。 超弦理论因此应运而生 , 当然最初它只是作为描述强相互作用的一个数学尝试 。 超弦理论把场论的0维粒子拓展开来 , 认为基本粒子是1维的弦 , 其不同的振动模式表现出不同的物理性质 。

在这里并不去详细地介绍超弦理论 , 因为我并不是这方面的专家 。 但目前对自然界存在的本质最深刻的认知还是非超弦理论莫属 , 那一个个振动跳跃的小弦 。 但是 , 弦理论并不是对自然界存在本质及基本粒子最终极的认识 , 这是显然的 , 最容易理解的原因是 , 在基本粒子层面 , 弦理论预设了时空背景作为一切物理演化的背景框架的存在 , 这与物理学其它方面的线索所指向的一个事实是不符的——时间空间应该在一个基本理论中自然而然地通过粒子或事件间的相互演绎而衍生出来 , 不应作为背景预设而出现 。 另外一方面的原因是 , 超弦理论在对基本粒子的描述中从最开始就插入了“一维弦”的概念 , 这无疑等价于把空间(维度)强化到了理论最基本的层面 , 企图直接以空间(维度)去刻画基本粒子的性质 。
那么有没有时空背景独立的理论呢 , 圈量子引力理论就是这样的一个例子 。 最初圈量子引力理论是李.斯莫林在受到强相互作用的规范格点理论的启发 , 当时他发现规范格点理论的图景在格点固定的条件下 , 无论如何是不可能包含引力的 , 但而后修改逐步发展起来的圈量子引力理论好像并没有比超弦理论的处境好到哪去 , 因为它不太容易去描述引力之外的其它作用力 。

【抛弃时间和空间,物理学家终于理解了世界】世界存在的本质到底是什么样的?我们目前没有答案 , 但是 , 越来越多的证据表明 , 独立于时空背景 , 或直接抛弃掉时空背景的基础地位 , 我们会找到最终的答案 。 从无开始 , 无中生有 。 这是因为 , 空间时间仅仅只是自然世界基本原材料的衍生品 。

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