《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第49节作者:
浅论物理 虽然1928年量子理论的掌门人之一,诺贝尔物理学奖获得者玻恩也曾兴高彩烈地说过:“据我们所知,物理学将在六个月之内结束。”但他的这次物理学大统一论之梦并没有能作多久,出乎意料微观世界中不断胡乱蹦出来的从未见到过、想到过的微粒,譬如中子等,层出不穷地击得量子力学也招架不住了。物理学大统一论,依然任重而道远,俗语说:百里行程半九十。也许还得再等待千年。
在牛顿时代 ,一个受过教育的人,在梗概上可以掌握整个人类知识。但是在科学发达的今天,知识内容越来越多,并且每深入一步遇到的新内容就更多,完成大统一论就更艰难了。人类的认识水平又总是落后于客观事物的发展,历史上几次圆物理学大统一梦的失败就是这个道理。今天的物理学家都已不得不退一步以求次,分门别派的都谦虚地纷纷只想圆其中某一部分的大统一论。转眼百年已逝,直至迈入21世纪也未见有所成的;终究好梦难圆。
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日期:2010-02-06 00:49:41
如今物理学已将物质的运动归因于物质间四种基本力作用的结果。而自然界的五花八门的力如果要终究细算的话,种类怕是数也数不过来。现在所归纳成的四种相互作用力为:最弱的引力;它和第二强的电磁力同属于长程力,只不过是电磁力还具有独特的异性相吸、同性相斥的性质;第三种是弱力,它是短程力;第四种是作用于原子核内部的最强的强力,同时也是在最短距离内相互作用的短程力。
但是这四种力当中,引力是服从于相对论的,它并不属于量子理论范畴。而其它三种力却又仅仅服从量子理论。并且各类物质粒子对以上四种力的反应往往不同,譬如电磁力仅仅对带电粒子起作用;弱力、强力又只在极短的距离内起作用等等。目前还只好针对不同种力的粒子,再分成各个类来建造统一场论。看似易实质难,物理界经过近百年,在数千年的经典物理基础上在这方面所作努力的成果,也不过仅仅如此,可见建立大统一论前途之遥。
如今在基本物质的研究中,“基本粒子”这个词是用以完全替代那道尔顿的不争气的、早就被砸得四分五裂的“不可再分割的原子”。如今几经磨难后对“基本粒子”的解释,应该不再用“不可再分割的粒子”而是那种解释为“尚未能发现内部结构的粒子”较为妥当。目前最基本的粒子主要有组成物质及传递相互作用力的两大类62种。其中组成物质的就有6种夸克及6种轻子共十二种。根据量子场论的观点,粒子是场的激发态。全部物质统一为实物粒子场和对应基本力的玻色子场。
爱因斯坦毕其后半生40余年努力而未成的,是在建立一个由电磁场和引力场两种长程力统一的理论——统一场论。爱因斯坦认为电力、磁力和重力是一个东西的三种表现;如同H2O有水、冰和水蒸气三态的表现。统一场论就是要把电力、磁力和重力联系在一起而成为宇宙中的一个基本的宇宙力场。也就是说这三个基本力互相演变从而决定着宇宙的性质,而宇宙中则充满着重力波及磁力线。他说实物所在地也就是场聚集之处,两者并无本质区别。
爱因斯坦对引力做出了几何性质的解释,无法使科学家们信服,因此他的统一场论没有成功。另外他的统一场论中缺少了弱力与强力这两大类,本身就是一种致命的不完备之学说。不过当时关于核力的知识也很缺乏,也就是说时机还没有成熟是根本原因。
另外,科学家们想建立起引力场的量子理论——“引力子”理论。而根据电磁场量子理论,物质间的相互作用:吸引或排斥,是通过交换电磁场量子——光子来实现的。由于电磁力和万有引力的共性:都是长程力并且与距离的平方成反比。接着人们通过类似的方法把引力场量子化,把引力场量子叫做引力子,引力子具有波粒两象性。引力场和其它场物质可互相转化。并且推测引力子质量为零、电荷为零。
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日期:2010-02-06 12:43:45
一切照着搬过来就备,只欠寻求引力波存在的这个东风,来证实引力场理论了;就此连引力也可以纳入量子理论这个范畴了。可是引力子的能量比光子小得多,一对电子之间的电磁力是引力的10^42倍,如此弱的万有引力探测十分困难,因而就此搁浅。科学家在确认引力波存在的问题上,采取着十分谨慎的态度,正在设计能发射引力波的装置,继续从各方面探测引力波。而引力波是否存在是一个极其重大的理论与实验问题。它关系到进一步认识物质的结构和本性,是量子力学急待解决的问题。
大统一理论(GUT)是一种统一电磁、强和弱力的理论;实际上它并不是单一的一个理论,而是合并了几个主要类似理论的综合统称;它们也并没有取得多大进展。说到它的时候须注意,大统一理论并不包括引力,它是一类不包括引力在内的统一理论。这也就是这个理论不能令人满意的地方。这主要是由于引力并不属于量子理论,而引力仅仅是属于广义相对论的“经典理论”的。它的解释是几何性质的,因而并不具有量子特征,特别要注意的是“引力”的创造者,爱因斯坦是决不会将引力与量子理论的核心原则“不确定性原理”混在一起的。而试图将引力场量子化的工作又无实质性的进展。现在对大统一理论没有包含引力的主要解释还是引力太微弱了。应该说这先天不足并不包括引力的理论,称作大统一理论本身就不是名副其实的。
在大统一理论(GUT)研究中,还需要有巨大的所谓“大统一能量”,它是指一旦达到了比它更大的能量后,电磁力、弱力和强力之间的差别就消失了。也就意味着这三者真正统一了。那么大统一能量具体到底有多大呢?答案是太大了。至少大到目前想象中都制造不出来的程度。大统一能量的具体数值还并不很清楚,可能至少要在1千万亿吉电子伏(10^15ve)。而当代的粒子加速器也就只能产生10吉电子伏,就拿下一代来说也就只能产生100吉电子伏。这对于研究萨拉姆——温伯格理论的电磁力和弱力统一的能量,也就是被称作“弱电统一能量”的,即:可使电磁力和弱力之间的差别消失至少需要的能量,来说够用了。但却远远低于大统一能量。估计能将粒子加速到大统一能量的加速器,它的体积至少要和太阳系一样大,因而根本无法直接在实验室中证实大统一理论。现代大统一理论预言:在大约100吉电子伏的弱电统一理论中和大约1千万亿吉电子伏的大统一能量之间,不会有什么本质上新的现象发生。人们正试图如同弱电统一理论中那样,设法在低能量下检测它的推论。
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日期:2010-02-07 10:55:29
物理学中一个完整的统一理论,应有一族可用微分方程表达出来的定律,而所有物理量均应服从该定律。同时辅以一系列边界条件。
如今物理学界关于统一理论的主流,主要还是在努力统一属于量子理论中的三种力的工作,即电磁力、弱力和强力三者的统一,而引力则因为太弱、再说也必竟还没有能将其纳入量子理论的范畴。
就是从对待物理学大统一理论是否真的存在的看法上,本身也存在着分歧。有的人认为大统一理论是存在的。也有的人认为即使物理界存在有大统一的事实,也难以在无限过程中寻求到或能加以验证;至多能求得某部分或者达到足够供人类使用的程度。还有些人对大统一理论的存在干脆是持否定态度的。
由于人的认识的局限性,要寻求一个终极理论而达到尽善尽美的程度,确实是极其困难的,物理学发展史的艰难曲折过程也正说明了这一点。
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