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申博娱乐官网大统一理论的发展历史以及发展瓶

更新时间:2019-01-31 14:58

  导读:但无论我们走到哪里,都要铭记自己从哪里来。永不迷失自己,是我们能够走的更远的前提。

  我一直在强调,与其说我写了这两本科普书籍,不如说这些是哲理书籍。可以带你思考和想象诸多无穷奇妙的东西。

  接下来就说说规范群为SU(3)×SU(2)×U(1)。最早包含规范对称性的物理理论是詹姆斯·麦克斯韦的电动力学。麦克斯韦在他的论文里特别提出,这理论源自于开尔文男爵于1851年发现的关于磁矢势的数学性质。但是,该对称性的重要性在早期的表述中没有被注意到。大卫·希尔伯特假设在坐标变换下作用量不变,由此推导出爱因斯坦场方程时,也没有注意到对称性的重要。

  之后,赫尔曼·外尔试图统一广义相对论和电磁学,他猜想尺度(“规范”)变换下的“不变性”可能也是广义相对论的局部对称性。后来发现该猜想将导致某些非物理的结果。但是在量子力学发展以后,外尔、弗拉基米尔·福克(俄语:Vladimir Fock)和弗里茨·伦敦(英语:Fritz London)实现了该思想,但作了一些修改(把缩放因子用一个复数代替,并把尺度变化变成了相位变化—一个U(1)规范对称性),这相应于带电荷的量子粒子其波函数受到电磁场的影响,给定了一个漂亮的解释。这是第一个规范场论。泡利在1940年推动了该理论的传播。

  1954年,为了解决一些基本粒子物理中的巨大混乱,杨振宁和罗伯特·米尔斯引入非交换规范场论,来建构将核子绑在原子核中的强相互作用的模型。(Ronald Shaw,在阿卜杜勒·萨拉姆指导下,在他的博士论文中独立地引入了相同的概念。)通过推广电磁学中的规范不变性,他们试图构造基于(非交换的)SU(2)对称群在同位旋质子和中子对上的作用的理论,类似于U(1)群在量子电动力学的旋量场上的作用。在粒子物理中,重点在于量子化规范场论。

  该思想后来被发现能够用于弱相互作用的量子场论,以及它和电磁学的电弱统一理论中。当人们意识到非交换规范场论能够导出渐近自由的时候,规范场论变得更有吸引力,因为渐近自由被认为是强相互作用的一个重要特点,因而推动了寻找强相互作用的规范场论的研究。这个理论现在称为量子色动力学,是一个SU(3)群作用在夸克的色荷上的规范场论。这样标准模型用规范场论的语言统一了电磁力、弱相互作用和强相互作用的表述。

  大统一理论简称GUT,又叫万有理论,由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力,万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。理论上宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。通过进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型称为大统一理论。爱因斯坦在晚年就致力于这一理论的诞生,但是当时对于量子力学的研究,远远没有达到现在的程度,所以他注定完成不了这个任务。

  早在20世纪20年代,著名物理学家爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用,也可以说是解释一切物理现象,因为他认为自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。甚至可说在爱因斯坦的哲学中,“统一”的概念根深蒂固,他深信“自然界应当满足简单性原则”。

  我看词条上看到说爱因斯坦试图通过“弱作用,磁场,强作用”的统一思维来简单的解释宇宙,进一步将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下。这一说法是错误的,因为强相互作用是爱因斯坦逝世后才提出来的。爱因斯坦逝世时是1955年。强相互作用提出时间是1973年。包括弱相互作用与电磁相互作用统一,也已经到了1968年,叫弱电相互作用。

  它表明弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用的不同方面。就好像电和磁是同一作用的不同面。这套理论的开发者为谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆与史蒂文·温伯格。他们的研究在1979年获得了诺贝尔物理学奖的肯定。希格斯机制解释了三种大质量玻色子(弱相互作用的三种载体)的存在,还有电磁相互作用的无质量光子。

  根据电弱理论,在能量非常高的时候,宇宙共有四种无质量的规范玻色子场,它们跟光子类似,还有一个复矢量希格斯场双重态。然而在能量低的时候,规范对称会出现自发破缺,变成电磁相互作用的U(1)对称(其中一个希格斯场有了真空期望值。虽然这种对称破缺会产生三种无质量玻色子,但是它们会与三股光子类场融合,这样希格斯机制会为它们带来质量。这三股场就成为了弱相互作用的W+、W−及Z玻色子,而第四股规范场则继续保持无质量,也就是电磁相互作用的光子。

  那么问大家一个问题,为什么爱因斯坦时代不可能做出这样的统一?原因很简单,那时候高能粒子对撞机还不够发达,无法窥探粒子核内的情况。没有新的发现,大统一理论自然停滞不前。

  具体是这样的,自然界一共有4种相互作用,除了引力相互作用和电磁相互作用外,还有强相互作用和弱相互作用。这4种相互作用强度大小和作用范围都相差悬殊,也大相径庭。例如,引力的强度只有强相互作用力的100万亿亿亿亿分之一,引力的作用范围却非常大,从理论上说可以一直延伸到无限远的地方,引力是长程力;而强相互作用力的范围却很小很小,只有1厘米的10万亿分之一,它是短程力;弱相互作用力也是短程力,力程不到1厘米的1000万亿分之一,强度是强相互作用力的1万亿分之一;电磁力与引力一样是长程力,但它的强度要比引力大得多,是强相互作用力的1/137。4种相互作用在性质上看来有明显的差异,然而科学家们却在思索这4种相互作用能不能在一定条件下得到统一的说明?

  从60年代起,温伯格就着手弱相互作用与电磁相互作用的统一。统一之路并不平坦,温伯格甚至不清楚该从哪里入手。从50年代末到60年代,在基本粒子理论领域里,对称性自发破缺理论获得了较大的发展。

  李政道和杨振宁在1956年就已发现弱相互作用里的一种破缺对称性(即破缺手征对称性)。所谓对称性自发破缺理论,通俗地说,它认为一些不同的现象或规律可追溯到同一源头,最初有着共同的对称性,后来由于种种原因对称性被自发地破坏,这样我们就可以从对称性来研究它们的共性,从对称性自发破缺机制来研究它们的特殊性。

  1965年起温伯格也开始了关于对称性自发破缺理论的研究,并渐渐意识到这将是通向相互作用统一理论的道路。1967年秋,温伯格终于确定弱相互作用和电磁相互作用可根据严格的、但自发破缺的规范对称性的思想进行统一的表达。他的理论结果发表在这一年的《物理评论快报》上,题目是“一个轻子的模型”。

  这是科学上第一个成功的相互作用统一理论。理论中所预言的中间玻色子W和Z,在1983年被欧洲核子研究中心找到。弱电统一理论的成功,肯定了相互作用统一思想的正确性,促使许多科学家进一步去研究把强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一在一起的大统一理论,以及把引力相互作用也统一进去的巨统一理论。

  到了70年代中期,人们进一步提出强、弱、电磁三种作用统一的大统一理论。大统一理论的结论之一是预言质子要衰变,这与实验结果有矛盾。

  那么是怎么发展的呢?按美国物理学家史蒂文·温伯格的说法,在五六十年代粒子物理学产生了三个“出色的想法”:

  2、1954年杨振宁和罗伯特·米尔斯将规范对称性推广至非阿贝尔群(杨-米尔斯理论)来解释强相互作用和弱相互作用。

  二十世纪六十年代,人们对这些发展之间的联系有了更深刻的理解,谢尔登·格拉肖开始了将电磁理论和弱相互作用理论统一起来的尝试。1967年,温伯格和巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆试图在杨-米尔斯理论的基础上将规范场论应用到强相互作用,但仍然遇到了杨-米尔斯理论无法解释粒子的静止质量在规范理论中为零及不可重整化等问题。

  后来温伯格在反思中发现可以将规范场论应用到格拉肖的电弱理论中,因为在那里可以引入自发对称性破缺的希格斯机制,希格斯机制能够为所有的基本粒子赋予非零静止质量。结果证明这一理论非常之成功,它不仅能够给出规范玻色子的质量,还能给出电子及其他轻子的质量。特别地,电弱理论还预言了一种可观测的实标量粒子——希格斯玻色子。这个在2013年被发现了。

  电弱理论的成功重新唤起了人们对规范场论的研究兴趣,1973年,美国物理学家戴维·格娄斯和他的学生弗朗克·韦尔切克,以及美国物理学家休·波利策发现了非阿贝尔规范场中的渐近自由性质。而他们也给出了对于观察不到静止质量为零的胶子的解释:胶子如同夸克一样,由于色荷的存在而受到色禁闭的约束从而无法独立存在。在统合了电弱理论和量子色动力学的基础上,粒子物理学建立了一个能够描述除引力以外的三种基本相互作用及所有基本粒子(夸克、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子)的规范理论——标准模型。就是上面提到的SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。至此强力,弱力,电磁力就联系起来了。但引力还是没有纳入到标准模型中。

  大家看一下下面这个图,然后我通俗的来解释一下。当然我的水平有限,希望大家多补充。而且我建议大家去看看我在《见微知著》中第四章《量子力学发展史》,把整个量子力学的发展脉络过一遍,你会有更深的印象。而且你去看了之后,你会发现,玩物理真的不是一件简单的事情。所以我一直说我自己,是叶公好龙。真正的用数学语言,去挖掘量子物理世界的能力,我是没有的。我一直是承认这一点的。

  不过对于后来者,你通过这些你就可以知道,自己需要具备哪些能力,才能试着去完成这个理论。大概是这么三块。

  2、初中到大学的高等物理要懂,申博娱乐官网这块包括的内容很多的,稍有遗漏,可能连接不上。

  3、还是学一下系统的哲学,提高哲理思维,培养你的思维方向能力或者说思维敏感度。这样的话,你会知道,哪些想法是比较可靠的,哪些想法是虚的。比如说弦理论和M理论被誉为是极可能成为大统一理论的候选者。但我却认为很难的,其中最重要的一点,就是该理论都是高维度空间理论。而高维度空间理论难以想象,不可想象的哲学导向就是该理论过于虚拟。难以在现实世界发挥作用。也就是说不具有严格的逻辑导向。高维度理论或可以解释很多现象,但会带来更多的问题。我们会得不偿失。所以我倒提示,该理论的空间维度描述,应该回到与标准模型一致。

  电学和磁学统一为 U(1)理论;电磁学和弱相互作用统一为弱电理论,即 SU(2) × U(1)。而强相互作用和弱电相互作用统一为标准模型理论。在它旁边,就是孤零零的引力了。如何将引力和标准模型统一,就是现在大统一理论发展的瓶颈了。而正是这个瓶颈不好破,才有人提出走另一条路,从而诞生了弦理论,M理论,F理论等等。

  这个时候,就有一个很明显的问题,那就是为什么引力不能纳入到标准模型的规范场论中。你怎么回答这个问题?

  引力不能纳入标准模型最重要的原因是引力量子化的实施会带来一些非物理的结果。具体你可以从以下几个方面理解。

  1、如果我们承认不存在无理由的作用,那么引力子理论就是可以想象的。可是引力子没有被发现。倘若被发现了,那么是不是就非常好了。通过引力子理论,就可以纳入到标准模型了。而不需要“引力量子化”这种操作了。

  2、第二点是我们以为引力理论非常成熟了,但其实还不成熟。牛顿引力理论是正确的,爱因斯坦理论也是正确的,我们通常说,他们适用于不同的范围。这种说法是没有错的,但为什么两种引力理论差别如此之大。牛顿引力理论可以看做是近似“线性的”,而爱因斯坦引力理论是“非线性的”,要得一个解都非常困难。更别说通过爱因斯坦场方程去计算某两个物体之间的引力。包括现在发射火箭啊,人造飞船等等,都是用牛顿引力理论来计算数值的。

  由此值得去细细思考的东西特别多。比如说库伦定律和牛顿引力定律如此相似,是偶然吗?在比如说惯性定律和楞次定律,又如此相似,是偶然吗?然后引力质量和惯性质量相等,是偶然吗?肯定不是偶然啊。但我们现在没有完全弄懂这些关系之间的秘密。那么谈何去将引力纳入到规范场论中。

  不是说量子力学和引力完全没有关系,搭不上边,肯定是能搭上的。任何物体,粒子都必须受到引力的影响。你比如说狄拉克方程其实就具有相对论性。

  我们知道了量子电动力学起源于1927年保罗·狄拉克将量子理论应用于电磁场量子化的研究工作。他将电荷和电磁场的相互作用处理为引起能级跃迁的微扰,能级跃迁造成了发射光子数量的变化,但总体上系统满足能量和动量守恒。

  狄拉克成功地从第一性原理导出了爱因斯坦系数的形式,并证明了光子的玻色-爱因斯坦统计是电磁场量子化的自然结果。现在人们发现,能够精确描述这类过程是量子电动力学最重要的应用之一。

  另一方面,狄拉克所发展的相对论量子力学是量子电动力学的前奏,狄拉克方程作为狭义相对论框架下量子力学的基本方程,所描述的电子等费米子的旋量场的正则量子化是由匈牙利-美国物理学家尤金·维格纳和约尔当完成的。狄拉克方程所预言的粒子的产生和湮没过程能用正则量子化的语言重新加以描述。

  而广义相对论作为引力理论,是建立在狭义相对论之上的,所以引力理论无论从宏观还是微观上来讲,都无法从标准模型中踢出去。也就是说引力纳入标准的模型的路是存在的,是我们没有发现这个联系。

  3、引力不能纳入到标准模型中,对于初学者来说有两层意思。是牛顿引力理论不能纳入标准模型?还是广义相对论不能纳入标准模型?当然是后者,我们在各种报道中,并没有看到说要讲牛顿引力纳入到标准模型中去。原因是什么?很明显是因为牛顿理论的时空是绝对的,静止的。这样的理论谈不上,波动性,重整化,量子化等“量子”性词汇,那么如何纳入呢?显然就陷入了尴尬之地。

  可后者就不尴尬吗?当然也尴尬,就是引力量子化困难重重。最大的问题是广义相对论的理论时空背景是弯曲的,认为时空弯曲产生引力。这其实是一个难以想象的现象,但现在被广为接受。我在本书中,就此说过,不赞同这个解读。我更倾向于时空产生引力,是一种时空性质。那么引力量子化就可以不考虑背景弯曲问题。

  就是说侧重点,在于了解时空性质,能量交互方面来了解引力,完成引力与量子力学的融合。

  我是从引力质量和惯性质量严格相等,来开始推理的。即我说引力是惯性的源泉。基于此,展开一系列推理。认为时间,空间,物质是一体的。质量的定义和时间的定义都需要相对论性的定义。如此说,我并不是在推翻或者驳斥爱因斯坦理论,恰恰是对他理论的支持和推广。因为我是相信相对论的正确性的。它经受住了严格实验,我没有理由去反对它。而且我对于相对论的四个成立条件,都是满意的。现在没有哪个实验可以证明说光速不是上限,或者等效原理不成立。没有这样的实验。那么我们为什么不相信相对论呢。

  相信它,和如何解读它,是不一样的。所以我认为在理解相对论方面,我们可能理解错了,甚至说创立理论的人,也并没有彻底理解他所创立的理论。

  爱因斯坦以天才般的能力和想象创立了广义相对论,但该理论得出一个解非常难。我介绍过几个解。我们对于一个引力理论的理解都这么生涩,也是该理论无法和标准模型理论融合的一个原因。

  那么另一个问题,就是出来了,如何才能将引力纳入到标准模型之中。问题的答案,其实就在问题当中。上面这些问题无法解决,可能大统一理论的到来,还很遥远。

  但我们可以想想目前的方向和工具。方向呢?主要从量子化和波动交互来着手。有力的工具,就是希格斯场,希格斯粒子,杨米尔斯场和方程,对称破缺理论,真空理论,混沌理论。因为希格斯场是能量转换为具体质量粒子的平台。而这个与引力和其他三种力都密切相关,可以说是重中之重。

  因为在科学家看来,希格斯场与物理学中其它场之间存在显著不同。其它场都存在强度的变化,并且在其最低能级时强度降为零。但希格斯场并非如此。即便你将空间彻底清空,你永远无法清除希格斯场,它无法被关闭,它永远鬼魅般的存在着。但我们不会注意到它,它就像空气对于我们,水对于鱼儿们一样自然。但是离开了它我们却将不复存在,因为正是借助于与这一场之间的相互作用,粒子才获得了质量。正是这一过程让原子和分子的形成成为可能。如果希格斯场突然消失,所有物质都将瞬间崩溃解体,因为在这一瞬间没有质量的电子将会以光速从原子中逃逸。

  我相信你看完之后,就明白了,看似繁荣的物理学,还是笼罩中迷雾之中。天空上何止两朵云,有太多的乌云了。所以问题不会有最后一个。但我还是相信,大统一理论是存在的,也能够被建立起来和完善起来。甚至在我有生之年,我可以看到的。就像我看到了美国“洞察号”探测器登陆火星,而且这是人类的第八次壮举。我们一定会走的越来越远。

  但无论我们走到哪里,都要铭记自己从哪里来。永不迷失自己,是我们能够走的更远的前提。

  我一直在强调,与其说我写了这两本科普书籍,不如说这些是哲理书籍。可以带你思考和想象诸多无穷奇妙的东西。

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