万物有没有唯一解?爱因斯坦未完成的统一场论《爱因斯坦的宇宙》

园艺??????? 2019-09-24???来源:张哥谈车

一九零五年,爱因斯坦刚完成狭义相对论,对此马上失去兴趣,因为他将视野放在更大的挑战上,即广义相对论。一九一五年历史重演,当他完成重力理论后,随即又将焦点放在企图心更大的计划上,即统一场论,希望结合希望结合重力理论与马克士威的电磁理论,

有相对论和量子论已经很棒了,干嘛还提统一场论?

到了一九二○年代晚期,相对论与量子论这物理学两大支柱已经屹立不摇,人类对于物理世界的知识总和可由这两项理论涵括。相对论是讲非常大的理论,是大霹雳与黑洞的理论,而量子论是谈非常小的理论,探讨奇异的原子世界。虽然量子理论建立在违反直觉的想法上,但无人能否认该理论在实验上的惊人成功。

实际上,诺贝尔奖如雪片般飞向愿意应用量子理论的年轻物理学家。爱因斯坦是经验老道的物理学家,绝不会忽略量子理论突飞猛进的进展;他没有驳斥实验上获得的成果,也承认量子力学是「我们这个时代最成功的物理理论」。爱因斯坦并没有阻碍量子力学的发展,虽然比较不入流的物理学家可能会这么做(一九二九年,爱因斯坦还推荐薛丁格与海森堡共享诺贝尔奖)。相反地??,爱因斯坦改变策略,不再攻击这个理论不正确,他的新策略是将量子理论收进统一场论里。

万物有没有唯一解?爱因斯坦未完成的统一场论《爱因斯坦的宇宙》

当波耳阵营炮轰爱因斯坦忽视量子世界时,他反击说自己真正的目标极为宏大,是要将整个量子理论包纳入自己的新理论当中。他拿自己以前的研究打比喻:相对论并未证明牛顿理论完全错误,只是显示他不够完整,可以再并入更大的理论当中。因此,牛顿力学在其特有的领域当中是有效的,也就是在小速度与大物体的领域内可以成立。同样地,爱因斯坦相信量子理论对于猫可以同时又生又死的怪异假设,一定能够以更高的理论来解释。在这方面,有太多爱因斯坦传记的作者没能了解到这点。

爱因斯坦的目标不是像许多批评人士所宣称,只想证明量子理论不正确,他老是被描绘成古典物理中最后一只恐龙,年老的叛逆者却发现自己变成反对的声音。爱因斯坦真正的目标是要凸显量子理论的不完整,并利用统一场论来使之完整。

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统一场论的企图:和相对论一起解释物质起源

爱因斯坦的策略是利用广义相对论与统一场论,来解释物质本身的起源,亦即从几何学中建造出物质。一九三五年,爱因斯坦与罗森研究一种新颖的方式,让量子粒子(如电子)会成为其理论的自然结果,而非是基本的物体。他希望利用这种方式,可以不必面对或然率的问题而导出量子理论。在绝大多数理论中,基本粒子是以奇异点出现,也就是方程式变为无限大的地方。例如在牛顿的方程式中,力与两物体间的距离平方呈反比,当距离为零时,引力会变得无限大,也产生了奇异点。因此爱因斯坦想从更深的理论中导出量子理论,他了解到自己需要一个完全没有奇异点的理论(在简单的量子理论当中,便可找到这种例子,称为「孤立子」[soliton] ,就像是太空中的结一般。这类孤立子非常平滑,不是奇异点,但却会彼此碰撞反弹,并保持相同形状。)

万物有没有唯一解?爱因斯坦未完成的统一场论《爱因斯坦的宇宙》

爱因斯坦–罗森桥(虫洞)在二维环境的模拟

爱因斯坦与罗森提出一个新奇的方式,来促成这种解。他们一开始在两张平行的纸上定义两个史瓦兹却德黑洞,然后用一把剪刀剪掉两个黑洞的奇异点,再将两张纸黏回在一起,便得到一个平滑、没有奇异点的解了,爱因斯坦认为这或可代表次原子粒子。因此,量子粒子可视为微小的黑洞。(这个想法六十年后在弦论里重生,有个数学关系式可让次原子粒子转变成黑洞,或让黑洞变回次原子粒子。)

不过,这个「爱因斯坦–罗森桥」可从另一个角度来看,代表了科学文献上第一次提到连接两个宇宙的「蛀孔」(wormhole,旧多译为「虫洞」) 。蛀孔是穿透空间与时间的捷径,就像是通道或闸口,可连接两张平行的纸张。将蛀孔的概念介绍给大众的是牛津大学数学家查尔斯.道吉森(Charles Dodgson),他的笔名是路易斯.卡罗,也就是家喻户晓的小说《爱丽丝梦游仙境》与《镜中奇遇记》的作者。当爱丽丝将手放进镜子中,她进入连接两个宇宙的爱因斯坦–罗森桥,一边是梦境中的奇幻世界,一边是牛津的乡下地方,当然,我们后来知道任何掉入爱因斯坦–罗森桥的人会被强大的重力挤死,甚至是将体内的原子扯散;若黑洞是静止的,则想要通过蛀孔到另一个平行宇宙是不可能的。(要再过六十年,蛀孔的概念才会在物理学中占居要角。)

万物有没有唯一解?爱因斯坦未完成的统一场论《爱因斯坦的宇宙》

蛀孔是穿透空间与时间的捷径,就像是通道或闸口,可连接两张平行的纸张

最后,爱因斯坦放弃这个点子了,部分原因是他无法解释丰富的次原子世界,他无法全部用「弹珠」来说明「木头」的各种奇特性质,无法从理论推导出次原子的诸多特征(如质量、自旋、电荷、量子数等等)。他原先希望能找到一幅图象,让统一场论能够大放光采,但关键的问题在于,当时对于核力的特质所知太有限了。爱因斯坦超前时代数十年,后来威力强大的粒子对撞机才提供资料,厘清次原子物质的本质。因此,他从未找到这幅图象。

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