【汽开区六中·课程动态】物理追光者(第21期)——物理学是否存在

汽开区六中
创建于2023-08-17
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    作为一切自然科学的基础,物理学研究的就是物质运动最一般的规律:牛顿力学,研究物体机械运动的规律;电磁学,研究物质的电磁运动的规律;热力学,研究物质热运动的统计规律;相对论,研究物体高速运动的动力学规律;量子力学,研究微观物质运动的规律。

  如果物质运动不再有规律可循,那么物理学也将不再存在。智子对高能加速粒子实验的干预,锁死了物理学继续发展的可能。在三体文明的面前,人类真的就只是虫子。拥有最聪明大脑的人类科学家,却只是可笑的“火鸡科学家”。当然,这只是     《三体》中的科幻设定。但今天,物理学的确正在面临“危机”:物理学,真的不存在了。

    人类历史上,有一群顶尖天才存在。正是因为有了他们的存在,人类才拥有壮丽文明和科学神话。回首人类近现代史300年,这是科学“群星闪耀”的年代。他们的的名字是:哥白尼、伽利略、牛顿、费马、欧拉、高斯,黎曼,伽罗瓦、麦克斯韦、希尔伯特、爱因斯坦、玻尔、狄拉克、哥德尔、图灵、费曼、拉马努金、杨振宁、外尔、威藤、霍金…………

    他们并非个个家喻户晓,有的甚至命运多舛。他们本来和我们一样,只是宇宙中一粒尘埃。但他们的思考力,却能洞穿整个宇宙。正是这些人,构成了人类文明不断向前的基石。但如果有一天,天才再无用武之地了呢?20世纪以来,高能物理光芒四射,收获颇丰。它也一直是当代最前沿的物理学研究方向。然而,从20世纪60年代起,高能物理则不断开始受到质疑。物理学家杨振宁先生就曾公开表示:高能物理“盛宴已过”。并在在公开场合反对中国建设大型对撞机,引发强烈争议。表面上杨振宁反对中国建设对撞机,但实际上是对“基础粒子研究”失去信心。这可是物理学最前沿的领域,也是物理学终极理论的希望之所。

    这绝不是某一个人的观点,而是很多物理学家的共识:理论物理学已经开始走入空想主义,“科学圣杯”距人类愈发遥远。依靠大型对撞机对基础粒子的研究,从而推动物理学向前跃进,已经走入死胡同。近60年来,再无获得共识的伟大物理学理论问世。近60年来,也再无伟大的物理学家被奉为“灯塔”。近60年来,也再无激动人心的新人理论得到验证。很多时候,我们甚至怀疑,真的有一个超级文明将我们的物理学锁死了!回首人类物理简史,看看“盛宴已过”到底是危言耸听,还是智者箴言?一切回到宇宙本原,重新来思考物理学的一切。宇宙是从什么时候开始的呢?现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论,英文叫做Big Bang!“哈勃红移”和“宇宙微波背景辐射”这两大实验数据支持了这一理论:宇宙就是源于一个大爆竹。当然你可能会问,那爆炸之前是什么呢,点燃爆炸的人又是谁呢?这些问题属于哲学的范畴,不属于科学的领域。如果一定要死嗑这个问题,牛顿会用“上帝是第一推动力”来忽悠你的。

    创世的刹那,开始于10的负43次方秒,也称为普朗克时间,是人类已知的最小时间存在。请注意这是一个定义值,而不是一个测量值。下面是创世时间表:

❶10E-43秒,十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃,缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸,此时的温度高达10E32(10的32次方)度;

❷10E-35秒,大一统作用力崩解;

❸10E-9秒,电弱对称崩解,此时的温度是10E15度;

❹10E-3秒,夸克开始凝聚,中子与质子出现,此时的温度是10E14度;

❺3分钟,质子与中子开始凝聚成稳定的原子核;

❻30万年,电子开始凝聚在原子核周围,第一个原子出现;

❼30亿年,第一个似星体出现;

❽50亿年,第一个星系出现;

❾100~150亿年,太阳系诞生,又经过数十亿年,地球上出现了第一个生命。

    不管你信不信,这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等所有数值,没有任何一个可以直接测量。因为目前咱们人类的技术和工具水平,还远远不能企及到那个数量级。但是,人类的天才们做到了。这个时间表里面的每一个数字的背后,都是一堆严密的公式和演算。都是无数的物理学家和数学家呕心沥血的结晶。

    这些结论是基于科学本身做出的演绎和推理,而不是凭空想像。回顾宇宙极简史之后,现在要问的是,物理学最前沿的研究领地在哪里?

    弦理论,许多物理学家的梦想,包括爱因斯坦,都是为了找到一个统一的理论来描述所有的自然现象。在过去几十年,就有这样一个理论出现了:弦理论。特别是,发展到后来的M理论。在M理论中,物质不再是由标准模型中所认为的点粒子组成的,而是由一维的振动弦构成的,并且是在11维的时空内。这些弦的不同振动方式代表了不同的基本粒子。

    卡拉比-丘成桐空间,正是超弦理论所需要的额外维。(图片来源:Jeff Bryant)M-理论可以解决微调问题,并且包含了超对称。它的额外维度被卷曲的非常小,因此我们无法察觉。许多人相信M-理论是统一的正确道路,但是它的主要一个问题是它没有做出任何可检验的预言。这引起了许多的讨论,许多人开始质疑弦理论究竟算得上是一个科学理论吗?

    同时,弦理论的竞争理论也不断地出现,比如圈量子引力、因果集理论等。而最近有物理学家认为弦理论和圈量子引力的结合或许是理解更深层的现实的一条途径。“超弦理论”和“M理论”,都野心勃勃想统一广义相对论与量子力学。试图构建终极“大统一理论”,这就是理论物理学最前沿的研究方向。

如何构建“大统一理论”?

    大统一理论可以建立,但也具有一定的相对性。它不能仅仅基于四种力建立,而是包括所有能量、物质及信息建立,没有能量、物质及信息作用的统一理论永远也不可能建立起来。物质有两种基本作用:聚变与裂变,两者是能量的聚集与释放过程,包括物质的构成与解体过程。聚变的理论基础是构成性整体论、裂变的理论基础是分解性还原论。东方偏向整体论,体现于社会科学就是东方搞整体中医,西方偏向还原论,体现于社会科学就是搞还原西医。不管西方怎样看不起东方的整体论,两者都不是互相对立的关系,而是密不可分的统一整体关系。东方单纯强调整体论与西方单纯强调还原论都是错误的,两者不能各行其是而是需要统一为系统构成论。据此才能统一物质、能量、信息的综合作用构成复杂系统,只有基于系统物质、能量及信息才能互相转换,真正体现物质、能量、信息相互转换过程的统一性。而力仅仅体现为能量,且很难说包含所有能量。没有物质及信息作用四种力如何统一?物质、能量、信息统一于系统,且不可能在一个系统层次统一,而是不同系统层级相容统一于一个超级系统—宇宙,才能体现真正的统一性。物质、能量或信息作用缺少任意一个都不是物理世界的全部体现,也并非真正的统一理论。

    至于大统一理论如何建立?仅凭数学公式搞的统一理论注定不行!凭借连续与离散数学也都不行,可以说教科书上现有的数学工具及门类都不行。因为系统构成需要的是构成性理论,所谓构成性理论是体现系统构成性因子多因多果的共时性作用模式,它需要一种新的数学门类—结构数学。有了这种基本因子的构成性模型,再配合其派生的不同进制运算及其相容关系就可以构造形形色色的系统及其理论体系。基于不同因子类型及不同运算关系的系统,与基于不同进制数量关系的系统具有互补相容性,且体现内含与外延的逻辑一致相容性,据其构成的系统当然也具有内含与外延的一致相容性。任何理论都有道、法、术、器的统一性,具有定性、定量、形态描述的统一性,统一理论也不例外。复杂系统有构成模型、有构成因子、有构成结构(体现不同维度)、有构成法则。如你说你的理论好,一定要有具体的明确应用或能构造出一个具体产品,这对爱因斯坦的相对论及量子力学都适用,做不到很难说你的理论是对的,更不用说你搞的是统一理论。

    结构数学—系统构成性理论理论有用吗?当然有用,我们用它可以构造16、256、4096进制类脑结构计算机,可以使并行计算、并行交换、并行控制、并行立交总线功能统一,可以使软硬功能统一,可以使计算与网络功能统一。可以使读、写、算、存同步完成,计算速度等于主频。解决总线瓶颈、IO瓶颈,解决华为一直没有解决的通讯领域的大容量低延时的理论与技术问题,解决后摩尔、后信息论时代的颠覆行理论与技术发展途径问题,解决计算及网络技术的主权问题。

    据此能否构建统一理论?当然能,但它只是理论上的可能,还需要找到物质构成的基本层次及组合分解机制,如找到电子的组合分解机制,原子的组合分解机制,分子的组合分解机制,星球的组合分解构成机制,星系的组合分解机制,星系的星系的组合分解机制,及其组合与分解的循环机制,这可能不是我们这一代人所能完成的任务,需要几代人的持续努力。

    写到这儿,基本可以结束了。从黎曼、麦克斯韦、爱因斯坦的引力场,到量子力学、超重力论、超弦理论以及M理论。人类历史上这些伟大的智慧头脑,前赴后继探寻宇宙的真理,展示物理气象。今天,无论是超弦理论还是M理论,都需要在亚原子领域才能获得验证。但何时能制造出打破“大沙漠”的加速器,遥遥无期。因此,尽管M理论已取得累累硕果,但依旧无法得到验证,弦理论也有同样命运,迄今被认为是“空想科学典型代表”。20世纪的物理学有着黄金一代,群星璀璨。他们提出的理论,都可以用实验来验证。直到今天,我们还可以用“黑洞”照片来证明爱因斯坦的远见卓识。但21世纪的物理学,却不得不面对一个现实问题:高能物理的盛宴,可能已经结束。

    物理学家的工作离不开实验(观察),他们的工作往往需要从已知的实验数据中发现具有普遍意义的思想或数学公式,他们给出的公式不仅要解释现在的现象,还要预言出未曾测量过的结果。从历史上看,物理学能够得到牢固的建立离不开实验。牛顿将使月球绕地球转的力和使苹果下落的力统一在一起,就是依靠实验的观测数据证明了它们都是遵循与距离的平方成反比。之后根据理论计算预言出海王星(被称为笔尖下发现的行星)的位置更是引起了巨大的轰动,理论才牢固地扎根在人们心中。

    当物理学真的不再能够验证自身,那么它继续存在的可能性还有多少?这个答案,仍然需要那些伟大的科学家们去探索和发现。一切都取决于人类自己。去思考科学的边界,去仰望未知的星空。不仅仅是科学家,也包括我们。科学家们在理论和实验中打破玻璃墙的桎梏,我们从书籍里了解更多关于前沿科学的知识。跳出低维囚牢,迈向高维世界。物理学,将永远照耀人类前行,永远存在。

来源:百度百科、知乎、中央记录频道

图片来源于抖音

                         编辑:毕鹏飞

                         责编:雷    雨

                         审校:于    洋

                         监制:李德文


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