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量子和粒子物理学何以解释一切_(英)蒂姆·詹姆斯(第15章 引力的麻烦) 第(3/3)页

那些已经习惯了沿直线运动的粒子,突然发现自己周围的空间改变了形状后会有何反应,我们无法解释这将如何影响它们。我们可以用引力解释一大堆粒子的情况,但很难计算单个粒子的引力。

引力不只是家庭聚会里那个不合群的孩子,它还是个从背后踢人、朝电视撒尿的恶霸。在不考虑引力的时候,量子场论运行良好,但就在我们考虑引力的时候,一切轰然崩塌。这可能是有史以来最糟心的事情。

知识之树

地表附近的每一个物体都被引力拉向地球。牛顿意识到同样的力也作用于宇宙中的太阳、月亮和所有行星,因为引力是一种普遍规律(万有引力),一视同仁地作用于万物。多亏了牛顿,我们才能用一个简单的解释把两个明显不同的现实领域联系在一起。

几个世纪后,爱因斯坦发现能量是同一框架的一部分,并将这些纳入相对论。这再一次证明,物理学的两个分支通过原本隐藏的关系联系在一起。

同时,迈克尔·法拉第发现,被认为各自独立的电场和磁场是同一个场的不同方面,这给了我们一个包含电、磁、光的统一解释。

接下来,量子物理学家接受了电磁理论,把它与粒子物理联系起来,催生了量子电动力学。然后,他们又把量子电动力学与放射性、弱核力结合起来,得出了电弱理论。

同样的事情一遍又一遍发生。我们从知识之途的不同地方出发,这些起点似乎毫无关联,但我们在这些路径上得到了合乎逻辑的结论,发现了这些不相关的理论之间的联系,就像树上的细枝连在一起,形成大树枝。我们越研究宇宙,发现这些联系就越多。

目前,我们的知识之树是一个理论网络,它有三根主要的大树枝。第一个是广义相对论,可以解释天文学、宇宙学和引力;第二个是电弱理论,可以解释质量、光、放射性、经典力和化学;第三个是量子色动力学,可以解释原子核。我们很快就要把后两者结合起来了。

我们正在寻找巧妙的方法,把电弱理论和量子色动力学结合起来,得到“大统一理论”,或者叫GUT。它可以解释整个标准模型。

如果我们能成功设计出GUT,就可以用两根大树枝解释物理学中的一切:广义相对论解释引力,完整的量子场论解释引力之外的全部。我们最终能拼成一个完整的树干吗?有没有一个单独的万有理论可以解释引力和量子力之间的矛盾?我们不知道,但我们肯定会尝试。

起点

一个世纪以前,我们认为自己找到了答案。量子力学教我们保持谦逊。与其说科学正在走向尽头,不如说一切才刚刚开始,这是个令人兴奋的理由。我们面临艰巨的任务,但我们在如此短的时间内就取得了巨大的进展,我因此怀有强烈的希望。

人类不仅生来就有求知欲,还有能获取知识的大脑。我们不喜欢听到“没有人知道”,我们决心要找出人类在宏伟蓝图中的位置。这就是为什么我们从不放弃回答问题和质疑答案。宇宙的复杂可能超出我们的想象,但既然我们能理解量子力学,谁知道我们还能做什么呢?

为此,也为了其他原因,我真诚地相信,科学将拯救人类。

(1) 这一年,牛顿的《自然哲学的数学原理》出版。—译注

(2) 引力很特殊,在物理学家眼里很突兀、不美观,犹如卡西莫多。—译注

(3) 比如说电磁力的大小是1N,强核力的大小是1.01N,弱核力的大小是0.99N,而引力的大小是0.0000000001N。若在一条线上,前三个力相隔非常近,而引力与其他三个力相隔非常非常远。——译注


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