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《一名物理学家的教育历程》有关资料

11-01 11:08:34 | 浏览次数: 87918 次 | 栏目:高二语文知识
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引力

  引力使地球和行星在各自的轨道上运动,引力也约束整个星系。如果没有地球的引力,地球的自转将使我们像布娃娃一样被抛进太空。我们用以呼吸的空气将快速地扩散到太空中,从而使我们窒息或使地球上无法存在生命。没有太阳的引力,包括地球在内的所有行星将被从太阳系扔到寒冷的太空深处,那里阳光不足,生命无法赖以生存。事实上,没有引力,太阳本身也将爆炸。太阳是引力和核力精确平衡作用的结果,引力企图挤碎太阳,核力却又想把太阳分开。没有引力,太阳将会像千百万亿颗氢弹那样轰然起爆。

  现在理论物理的主要挑战是把这四种力统一成一种力。从爱因斯坦开始,20世纪的许多物理学巨人已经寻求,但苦于找不到这样一种统一方案。然而,爱因斯坦一生最后30年没有找到的答案可能就在于超维空间。

寻求统一

  爱因斯坦曾说:“自然呈现给我们的仅仅是狮子的尾巴。尽管因为狮子身躯庞大而不能立即展现其自身,我也不会怀疑长着这条尾巴的那头狮子之存在。”如果爱因斯坦是正确的话,那么可能这四种力就是“狮子的尾巴”,而“狮子”本身就是高维时空。这种思想已经激起人们向往有一天宇宙中的物理规律可以用一个方程来阐释,而这些规律造成的结果则由充满着图表的书籍布满了图书馆的墙壁。

  对于宇宙的这一革命性前瞻的核心,就是认识到更高维的几何可能是统一宇宙中物理规律的最终源泉。简言之,尽管宇宙中的物质和把物质束缚在一起的力以一种使人困惑不解和变化无穷的复杂形式出现,但是它们可能只是超空间上的不同振动而已。然而,这一概念与科学家们的传统思想相抵触,他们把空间和时间视为一个被动的舞台,而恒星和原子是其上面的主角。对于科学家而言,可见的物质宇宙似乎比空无一物而又不能运动的时空这种不可见宇宙舞台更加丰富和变化多端。从历史的角度看,粒子物理方面几乎所有的科学努力以及大量的政府基金都被投入到诸如“夸克”和“胶子”等亚原子粒子的性质上,而不是领悟其几何本质。现在,科学家们正在意识到时间和空间这些“无用”概念可能是大自然之美与简单性的最终源头。

  有一种把光解释为在第五维中的振动的新型引力理论,按提出该理论的两位科学家的姓氏被命名为卡鲁查-克莱因理论,它是有关高维空间的第一个理论。把它延拓到N维空间(这里N代表任何整数)之后,原先看起来很笨拙的这个亚原子粒子理论便戏剧性地呈现出一种惊人的对称性。然而,原先的卡鲁查-克莱因理论不能决定N的准确值,在描述所有的亚原子粒子时也存在一些技术问题。这个理论更为先进的叙述,即所谓的超引力理论也有问题。近来,在理论上的兴趣是由物理学家格林(MichaelGreen)和施瓦茨(JohnSchwarz)在1984年引发的,他们证明了卡鲁查·克莱因理论的最新翻版,即所谓的超弦理论的自洽性,这个理论假设所有的物质都由细小的振动弦组成。令人吃惊的是,超弦理论预言了时空的精确维数:十维。①

  十维空间的优点是可以给四种基本力提供“足够的地盘”。此外,我们有一种简单的物理绘景来解释由大型原子对撞机产生的亚原子粒子的杂乱的混合物。过去30年中,物理学家们已经仔细编排和研究了轰击原子中的电子和质子所产生的几百种亚原子粒子。像昆虫捕捉者耐心地给大量昆虫品种命名一样,物理学家时常被这些亚原子粒子的多样性和复杂性所困惑。今天,这令人糊涂的一大堆亚原子粒子可以被解释为只是超空间理论中的振动而已。

  ①弗罗因德被问及我们何时能够看见这些高维时,他报以一笑。我们不能看见这些高维,乃因为它们“蜷缩”成非常小的球,这些球无法被检测到。按照卡鲁查·克莱因理论,这些蜷缩维的大小叫做普朗克长度4,相当于质子的万亿亿分之一,小到用我们最大的原子对撞机也无法探测的地步。高能物理学家曾经指望造价110亿美元的超导超级对撞机(简称SSC)能够间接揭示超维空间的某些线索,但SSC于1993年10月被美国国会所否决。──作者原注。    

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