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《穿越平行宇宙》1:物理学家想要什么

2020-09-02 01:33  浏览数:94  来源:小键人261043
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今天开始咱们搞个小系列,讲讲物理学家对世界的最新理解。
我们的目标是世界到底是怎么回事儿 —— 答案可能会让你感到非常震惊。
我们用的这本书是麻省理工学院教授迈克斯·泰格马克的《穿越平行宇宙》,这本书已经有中文版了。
泰格马克我们专栏读者应该很熟悉,咱们讲过他的《生命3.0》。这本《穿越平行宇宙》是他几年以前出的书,
虽然不是最新的,但是其中的思想非常重要。特别是,泰格马克本人,直接参与了一些关键的物理研究,
而且在这本书最后他还提出了一个关键思想。 这本书,我们精英日课是非讲不可。 
今天这一讲先说物理学是怎么回事儿。每个人都上过物理课,不过真正在生活中能想到物理学的机会恐怕不多。
那如果你把学过的物理知识都忘了,你对物理学的认知,还会剩下一点什么呢?我认为,应该就是今天的内容。
1.一个最简单的物理学史
物理学的历史跌宕起伏,有无数的英雄故事,但现在我讲一个最简化的、基于逻辑的物理学史。
我想用这段小历史让你明白物理学到底是怎么回事儿。
这一切的开始,是你对生活的一个细致观察。
每次往空中扔出一个什么东西,你都注意到它走的不是直线,而是“抛物线” ——  
比如说扔石头吧。你做了精确的测量,发现石头既有一个往前走的速度,还有一个往下落的速度。往前的速度是匀速的,
但是石头下落的速度不是匀速,而是越来越快 —— 有一个“加速度”。你就想到,
这一定是有什么东西在把石头往下拉 —— 石头是受到了某种摸不着、看不见的“力”的影响。这个力只能来自大地,
于是你就发现了“ 引力 ”。
你进一步测量,发现不管石头有多重,它下落的“加速度”是恒定的 —— 这就是为什么一轻一重两个铁球会同时落地。
于是你得出结论,引力应该正好跟受力物体的重量成正比。
现在你有了第一个引力理论!这个理论非常好使,你可以用它精确计算炮弹的弹道。有了引力理论,
你的炮兵指哪打哪,这给你带来了巨大的声望。 
这时候你有了更大的野心。你想到,所有有重量的物体,都受到引力的影响 —— 那行星绕着太阳转,
会不会也是因为引力呢?为了验证这个猜想,你做了一番计算,想用你的引力理论把行星轨道给算出来。
结果你发现怎么算都不对!可能在这么大的尺度上,引力理论需要做些修改。
你的旧理论中引力只跟物体的重量有关系,那可能是因为我们都住在地球表面。
行星距离太阳这么远,它感受到的太阳引力应该变小才对。你反复思考,发明了一个新的引力理论,
让引力跟距离也有关系 —— 这个理论,就是 万有引力。
万有引力理论就更厉害了,它能精确预言行星的运动!什么椭圆轨道啊、速度啊周期啊你都能算出来,
而且跟天文学家的观测非常吻合 —— 
从数学上来说,万有引力理论在地球表面的极端情况,正好就是那个旧理论。
所以现在万有引力理论是一统江湖,对地上和天上的东西都管用。
于是你就去挨着个地测量太阳系行星的轨道,想看着万有引力理论大杀四方。
结果你发现,其他行星的轨道和你的理论计算都是精确符合的,但是距离太阳最近的那个行星,
也就是水星,的轨道变化,总是和计算结果有一点点的差异。
这个差异非常非常小,每个世纪相差还不到1弧度。可你还是感到坐立不安。这不应该啊!如果我的理论是完美的,
水星怎么就例外呢?难道说因为水星离太阳很近,万有引力理论就不好使了吗?
你克服了无数的困难,甚至把“力”这个概念都更新了,终于发明了一个更新的理论,这个理论叫 广义相对论。
广义相对论能完美解释水星轨道,而这仅仅个开胃菜。有了广义相对论,你就可以研究更大的问题。
你预言了黑洞和引力波的存在,结果后来观测都证实了!而且因为有了广义相对论,我们居然可以研究整个宇宙的历史了。
多年以后,面对成熟的宇宙学,你准会想起第一次往空中扔石头的那个遥远的下午。 
2.物理学的逻辑
这段极简的物理学史,告诉我们三个逻辑。
第一,物理学家总是用一个更“一般”的新理论,取代旧理论。
有了新理论,你会发现旧理论只是新理论在局部的一个特殊情况。比如说,你把广义相对论拿过来,
考虑一个引力比较弱的特殊情况算一算物体的运动方式,它跟牛顿万有引力公式的计算结果就是一样的。
同样道理,你把牛顿万有引力公式拿过来,考虑地球表面这个特殊情况,那就相当于引力只和重量有关系。
所以物理学家一般不说旧理论是*错的*,旧理论只是*适用范围有限*。新理论是旧理论的推广,旧理论是新理论的近似。
第二,新理论除了能解释旧理论不能解释的一些现象之外,还能预言一些物理学家此前连想都没想过的、新的东西。
牛顿力学只能计算一般行星的轨道,可是有了广义相对论,我们不但能解释水星轨道的“怪异”变化,还能预言一些新东西。
比如黑洞、引力波这些东西,牛顿力学里面根本没有,天文观测也没见过,
物理学家做梦都没梦见过 —— 可是如果你把广义相对论当个玩具,考虑这个方程在一些特殊情况下的解,
你就能在纸面上算出来,应该有这些东西存在!
结果过了多少年之后、天文观测的手段进步了,天文学家一找,还真的找到了!这简直不可思议,
你就觉得这个世界对物理学家真是非常友好。
1928年,狄拉克把量子力学和狭义相对论推广到一起,提出一个关于电子的新理论。他把新理论的方程求解,
就发现这个理论除了能解释电子的存在之外,方程还有另外一个解。那个解的各种性质和电子一样,但是它带正电,
是电子的“反物质”。那么狄拉克就纯粹根据自己的方程,说世界上应该有“正电子”这种东西。结果到1932年,
实验物理学家就真的找到了正电子! 
狄拉克论上帝:上帝创造世界,用的是美丽的数学。
泡利论狄拉克:如果我对狄拉克的理解正确的话,他的意思是说根本就没有上帝,而他狄拉克是上帝的先知。
像这样的故事数不胜数。物理学家推广旧理论不仅仅是为了数学上的完美,而是开疆拓土,是打开新世界的大门。
第三,新理论不会让物理学家满足很长时间,他们又会想要更新的理论。
有了新理论,打开了新世界,你很快发现又有新的现象,是这个理论解释不了的。
比如广义相对论似乎不能完全解释暗能量,根本就无法解释暗物质,你就想要更新的理论。
整个这个过程,就是
现象到理论到新现象和新的解释不了的现象到新理论……
这有点像是玄幻世界里的“修仙”。每上升一层新境界,你看世界的整个眼光就都改变了。比如说,
你会发现原来看起来很不一样的东西,现在在这个更高的层次上看,其实是同一种东西。
人和动物都是生物,生物和非生物都是原子组成的,地上和天上的东西满足同样的物理定律。
每一次见识的升华,同时又会给你解锁新的技能。在低层次看来,高层次的技能就好像法术一样。
到了高层次回头再一看,以前那些看似神秘的东西都变得一目了然,真是一览众山小。
而很多物理学家相信,这个提出新理论、解锁新现象的过程,不会一直持续下去 —— 可能马上就要到头了。 
3.终极理论
前面我们说了引力理论这条线,这条线的理论专门研究大尺度的物理现象。物理学的另一条线是往小尺度走,
那就是量子力学这条线。
一开始,你以为电力和磁力是两种完全不同的东西。有了电动力学以后,你发现电和磁可以用同一组方程统一描写,
而光其实就是一种电磁波。为了研究原子这么小尺度的电磁现象,我们就有了量子力学,再推广到量子电动力学、
量子场论、量子色动力学等等 —— 现在微观尺度的一切物理,可以说已经统一起来了,严格地说叫“标准模型”,
简单地说就叫量子场论吧。
好,现在如果有引力,尺度比较大,你就可以用广义相对论。如果引力可以忽略,尺度比较小,
你就可以用量子场论。那如果引力比较大,尺度又比较小,你怎么办呢?黑洞内部,和最初的宇宙,
就是这个极端的情况,而我们还没有一个理论适合这个情况。
所以现在物理学家最想要的,就是把广义相对论和量子场论统一起来。
这个理论的了不起之处,就在于它将能解释和预言从遥远星际到黑洞内部、从宇宙起源到无穷的未来、
从无比小到无比大的尺度上的*一切*现象。
所以它被称为“统一理论”。
这就是物理学家的雄心壮志。这将是*最后一个*物理理论,引无数英雄竞折腰。
在物理学家眼中,只要有了这个终极理论,世间一切科学知识,就都可以从这个理论中推导出来 ——
物理学家心目中各个学科的推导关系
你考虑终极理论在大尺度下的情况,就是广义相对论。你把终极理论取一个引力是 0 的极限,就是量子场论。
从广义相对论出发你可以推导出狭义相对论和电磁学,从量子场论出发你可以推导出核物理和粒子物理学……
……从物理学出发你可以推导出化学、机械工程和电子工程。从物理学和化学出发你可以推导出地球科学和生物学。
从生物学出发你可以推导出心理学和医学,然后你可以推导出社会学……这一切的一切,都源自一个“终极理论”。
所以这就是为什么物理学家常常自我感觉良好。如果你有能力研究这个终极理论,那这件事就是唯一值得你做的事儿。
我上大学的时候有个老师,他就跟我说过,现在有人搞的什么数据分析啊之类东西,根本就“不是学问”。 
《生活大爆炸》里,谢尔顿表示地质学不是真正的科学
可惜我的智力平平,真是没有能力研究这个理论,所以现在给你当个解说员。不过也有些物理学家认为,
所谓“终极理论”是个过于自大的梦想,也许这个世界根本就不存在什么终极理论。
我们专栏去年有一期叫《反叛才是科学家》,提到弗里曼·戴森就反对追求终极理论。
但不论如何,我们总可以预期,将来会有一个适用范围更广的、新的物理理论。
如果有那么一个新理论,它会给我们打开一道什么样的门、预言什么样的新现象,解锁什么样的新技能呢?
这些我们不知道。
但是泰格马克这本书的关键思想,就是我们现在就知道新理论应该有一个什么性质,而这个性质,
会给我们的世界观带来根本性的改变。
这个新世界观就是宇宙其实是数学的产物。 而从此出发,你就能推导出一些特别离奇的结论。
比如说,时间的流逝其实是个错觉。



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