最美的理论(中篇)

成名已久

爱因斯坦发现,近太阳下的时空的曲率可以很好的解释水星的行为。在同时期的授课中,这是他唯一可以指出的,以前科学无法解释,但是广义相对论可以解释的现象。很多科学家认为这个理论在“树立爱因斯坦更卓越,任何他无法解释的神秘现象都无法激发他的动力”方面没有价值,马丁·里斯,英国皇家天文学家是其中一位。他简单的凭借自己的观察认为,万物都必须是某种重力,都需要用数学之美来描述。

广义相对论发表后,爱因斯坦开始通过观测,寻找可以验证的方式。其中一个是当太阳日食的时候,对天空中同一个区域,位置确定的恒星,对比不同时间下他们的位置。光线就像正在自由落体的对象,时空中的轨迹是直的。因为太阳质量包裹时空,当射线绕过太阳时,恒星的位置看上去改变了(看图示)。

在1919年,亚瑟·爱丁顿,著名的英国天文学家声明,在大西洋普林西比岛观测的日食显示了爱因斯坦所预测的扭曲(他的一副图片如图所示)。“天空中的光线都弯曲了”,纽约时报头条这样写道,并辅助性的家了一条“任何人都不需要担心”。爱因斯坦当时很高兴,更加确信他的思想而不再焦虑不安。当有人问他,如果爱丁顿发现了一个不同的结果,他会怎么办,他回答,“那我只能对真主说一声道歉了。因为理论是正确的。”

整个世界都知道了,爱丁顿的结果将广义相对论或多或少提高到了毋庸置疑的位置。但如何让它成为主流。因为它很难理解。在公共场合,甚至爱丁顿有时候也会难住,不确定他是否是“全世界了解广义相对论的三个人之一”。有时他会谦虚的打破沉默,回复到“另一方面,我也在努力思考,谁会是第三个人!”

广义相对论也看上去有点无关紧要。普朗克创建的量子革命已经开始,对此,爱因斯坦在1905年贡献了另一篇他的伟大论文,并结出了迷人的果实。对原子核的理解一起进入了一个繁荣时期,这是物理学家注意的中心。狭义相对论在这个兴奋点上也起到了作用,最著名的表达式E=mc2给出了存储在这些迷人的原子核中的能力的量算方式,而广义相对论并没有什么贡献。

取而代之的是,它提出了一种提问的方式,不再是宇宙是什么,而是作为一个整体,宇宙的结构是什么。方程式中有多个解,可以证明宇宙正在膨胀;而有些则证明它在收缩。这成立他和荷兰物理学家威廉·德西特(发现了宇宙扩张解)之间充满激情的争论。爱因斯坦想要一个静止的宇宙。在1917年,他给方程式增加了一个宇宙常量,可以在一定大小下用于固定宇宙。

1929年,当一位美国天文学家拿出强有力的证据,证明宇宙确实越来越大,这变得有点尬尴。威廉·德西特量算了来自遥远星系的光线的颜色,作为研究他们运动的一种方式;来自正在接近地球的物体的光线看上去更蓝,否则来自后退物体的光线看上去更红。哈勃发现,平均来说,星系距离远大,它的光线越偏向红色;他们离开的越远,事物后退的越快。这些红色的偏移所提供的宇宙扩张的证据让爱因斯坦取消了宇宙常量,并成为一生中最打的鲁莽。

这个理论用在了一些早期停滞不前的应用中。在1930年代,原子物理学家研究得出,恒星从核反应中获取能量,而且这些反应用过了恒星的燃料,恒星则会崩溃。像太阳这样的星体则会瓦解为一个和地球一样大小的“白矮星”。更大的恒星则进一步瓦解为和原子核密度一样的“中子星”,而且只有20公里左右。而最大的恒星则会瓦解成一个长宽深但有无限密度的一个东西:一个奇点。

对数学思维而言,在理论上找到一个奇点是很不爽的,他们通常表示答案有错。爱因斯坦不想在他的宇宙中遇到任何奇点,而且在1939年他发表的一篇论文中,他试图证明,在一个奇点可以形成前,一个巨大的恒星将会停滞。罗伯特·奥本海默,伯克利的一位年轻的天才物理学家,使用相同的物理相对论反驳这位巨人,而且建议,这样的一个极端瓦解是可能的。时空在急剧包裹时,他们会创建一个区域,这个区域内,无论是光还是其他东西都不能逃离:黑洞。

尽管奥本海默的论文发表的当天,德国入侵了波兰,将这个争论退后。但一个月前,爱因斯坦给富兰克林罗斯福写了一封信,并突出了E=mc2 的军事应用。它将用于实现某种应用,而不是黑洞,从而让人们记住了奥本海默(曼哈顿计划的领导者)。

部分因为奥本海默和政府间出奇的成功,物理研究的新的程度在战后繁荣发展。一个领域就是射电天文学,揭露的宇宙中戏剧的一面,而用光线的观察则不会有任何暗示。在它的发现中是无线电波的源,看上去同一时间非常小(大小),但特别的强大(能量),通过红色偏移的判断,非常的远。天文学家称为类星体,而且想知道,什么能够从一个比银河系大一点的体积下,产生具有百亿个恒星能量的广播信号。

罗伊 克尔对广义相对论的解提供了答案:一个特大质量的旋转的黑洞。他的旋转能在黑洞外围创建一个“事件视界“——在该点上,光和所有其他事物都不会返回——在这里,向内跌落的物质将会自旋向上,达到巨大的速度。某些这样的物质将会沿着旋转轴被喷出,形成了在在类星体的广播射线下看到的喷射。

如烟的消失

这是第一次,广义相对论解释了世界的一个新现象。聪明的,年轻的思维进入了这个领域:数十年来不活跃的那些疯狂的猜测的思想进一步开创并发展。时空中出现了虫洞的说法,看上去可以在宇宙间实现远距离的传送。他们是你闭合的,时间一样的弯曲,看上去,通过他们可以穿越到过去。少了一些猜测,但伴随着一些深刻的影响,斯提芬霍金,一位物理学家(下图,和一个类星体),和罗杰·彭罗斯,一位数学家,显示了在黑洞中,奇点的相对描述可以用来描述宇宙大爆炸就是宇宙膨胀的开始——实际上,这是搞清宇宙的唯一方式。广义相对论给人们他们第一次宇宙创建的物理记载(physical account of the creation)。

霍金博士继续把量子理论的元素引入到黑洞的理解中。量子力学中认为,如果你以最小尺度来观察空间,你将会看到一个持续的发酵,成对的粒子会涌现并重组而虚无。霍金博士争论到,当这在黑洞的事件视界发生时,一些粒子会被吞没,一些可以逃离。这些逃离的粒子意味着,用霍金的话说,“黑洞并没有那么黑“——他们可以释放一些称为霍金射线的东西。以这样的方式丢失的能量最终来自于黑洞本身,在这个过程中,放弃了部分质量。因此,看上去,黑洞也会偶尔蒸发,虚无。

添加量子力学来描述黑瞳是在理论物种中,可能的最大的挑战的开始:用一种可以解释所有问题的方式来重新调整可以描述宇宙中所有领域和粒子的理论。这两个理论以非常不同的方式看待现实。在量子论中,一切都零碎的在一定尺度下。相对论的方程式则基本平滑(量子是非连续的,而相对论是连续的)。量子力学专门处理可能性的问题——不是因为信息的缺失,而是因为真实世界正是如此。在相对论中一切都是确定的。而且量子力学是非局部的:在一个地方的对象的行为可能受到千里以外或者数光年远的另一个对象的牵连。相对论则自负的认为是局部的:爱因斯坦确信,当一个更好的理解到来时,量子力学中的“幽灵般的远距离作用“将会消失。

不是的,实验确认了物理世界下对非局部本性后。量子理论在其他方面也有惊人的成功。量子理论丰富了电磁学和强弱核力间的相互关联——保持大多数原则在一起和分离的过程。现在,这个统一的标准模型涵盖了所有物质观察的形式和他们之间的相互作用——处理那些归咎于重力的。

有些人可能洋洋自得,仅仅让每一个理论在它们有利的方面使用,不需要顾虑未来。但像这样的人不会成为理论物理学家。他们不曾解释过宇宙大爆炸的复杂——对宏达的大统一理论的巨大考验永不停息的进行着。在宇宙的出奇,时空自身看上去受到波动种类的限制,这是量子世界的基础(就像霍金射线的原因)。了解这些鬼把戏的中心,要求一个能够合并两个方案的理论。

(解释:橙色的是一个光源,中间绿色的将光束分为两束,两束光遵循的波长相同(对应蓝色和深蓝色),最终又合称为一个光束。而左边没有重力波下,合成后波长还是相同,而右边收到重力波作用,波长不同。)

在这方面有很多丰富而微妙的尝试。潘洛斯博士花费了数年,精心安排了一个优雅的方式来观测所有作用域和粒子,一个新的数学化的概念成为“扭量”。其他人则追求一种方式,在圈量子引力论的题目下,增加量子片段到时空结构。然后出现了这个例外的简单万物理论——其实并不(简单)。史蒂文·温伯格是一位大统一论者,他的工作建立了一个标准模型,提到这个理论,“有很多理论,但只有很少的观测结果,所以我们还差的很远。”

温伯格博士,就像他的很多同僚,倾向于一种称为超级弦论的方案。它是在添加了很多特征的标准模型的产物的产物,看上去他们可以有助于时空的理解,而且它的支持者也找到了数学上令人陶醉的方面。Ed Witten,普林斯顿大学高等研究院(IAS),爱因斯坦最后22年的研究和生活的地方,是其中一位将这个理论提高到当前备受瞩目的地位。但是他也警告道,很多理论还有待发现,而且没人知道有多少。“我们只了解了只言片语——但是仅有的这些也美不胜收。”

到1915年11月,这些零碎的进展,如同Witten所说,在进展中提供了一个很好的产物。“在广义相对论中,在他得到这个理论前,爱因斯坦已经有着这个概念。这也是为何它建立的部分原因:当它公式化后,它就完整了。”他说到。“弦论则恰恰相反,通过几十年前很多愉悦的意外才发现了很多证明。”

原文发布于微信公众号 - LET(LET0-0)

原文发表时间:2015-12-02

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