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爱因斯坦的遗产中最具革命性的部分却很少受到关注

2019-07-10 10:13:25

阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)的百年洞见所结出的耀眼果实现在已深深嵌入大众的梦想之中:黑洞、时空曲解和虫洞常常作为情节点呈现在电影、书本和电视节目中。与此一同,它们推动了前沿研讨,帮忙物理学家提出许多有关空间、时刻甚至信息本身的问题。

讥讽的是,爱因斯坦的遗产中最具革命性的部分却很少遭到注重。它没有引力波的颤抖,没有黑洞的吸引力,甚至没有夸克的魅力。但躲藏在全部这些共同现象反面的是一个看似简略的主见,它拉动科学的杠杆,显示出各个部分是怎样组合在一同的,并照亮前方的路程。 

这个主见是这样的:某些改动不会改动任何作业。大天然的最底子的部分是坚持不变的,即使它们如同在以意想不到的方法改动后呈现在我们眼前。例如,爱因斯坦1905年宣告的相对论论文得出了一个不容置疑的结论,即能量和质量之间的联络是不变的,尽管能量和质量本身可以有大相径庭的方法。太阳能抵达地球,以绿叶的方法许多存在,创造出我们可以吃的食物,并作为考虑的燃料。(“我们的思想是什么?这些具有知道的原子是什么?”已故的理查德·费曼说道,“是来自上星期吃的马铃薯!”)。这就是E = mc2的意思。c代表光速,一个非常大的数字,所以不需要太多的物质就能发生许多的能量;实践上,太阳每秒将数百万吨的质量转化为能量。

物质无穷无尽地转化为能量(反之亦然),为世界、物质和生命供应动力。但是,履历了这全部,世界的能量物质的量从未改动。这很乖僻,但却是实践:物质和能量本身并没有它们之间潜在的联络那么底子。

我们倾向于认为实践的中心是事物本身,而不是他们之间的联络。但大多数情况下,情况恰恰相反。布朗大学(Brown University)物理学家斯蒂芬·亚历山大(Stephon Alexander)说:“这不是问题所在。”

爱因斯坦指出,关于像空间和时刻这样的“物质”,如同是天然界中安稳的、不可改动的部分;实践上,空间和时刻的联络总是坚持不变,即使空间缩短和时刻胀大。就像能量和物质相同,空间和时刻是哪些更深层次的、不可不坚定的基础的可变表现:这些基础的东西不管怎样都不会改动。

“爱因斯坦的深化观念是,空间和时刻底子上是由正发生的作业之间的联络建立起来的,”物理学家罗伯特迪杰格拉夫(Robbert Dijkgraaf)说。

毕竟对爱因斯坦的遗产影响最大的联络是对称性。科学家们常常把对称性描绘为不会实在改动任何东西的改动,不会发生任何影响的改动,不会改动深层联络的改动。在日常日子中很简略找到比如。你可以把一片雪花旋转60度,它看起来仍是相同的。你可以在跷跷板上互换方位而不会损坏平衡。更为凌乱的对称性指引了物理学家们发现了从中微子到夸克等粒子,甚至爱因斯坦自己也发现了万有引力是时空的曲率,现在我们知道,时空的曲率可以自我弯曲,缩进黑洞。 

阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论手稿的第一页

在以前的几十年里,一些物理学家初步质疑注重对称性是否仍然像以前相同富有成效。根据对称性理论猜想的新粒子在实验中并没有如人们所希望的那样呈现,而且被探测到的希格斯玻色子太轻,无法契合任何已知的对称结构。对称性也还没有说明为什么引力如此微小,为什么真空能量如此之小,或许为什么暗物质仍然是透明的。

 

“在粒子物理学中,有一种成见是认为对称性是我们对天然描绘的根源,”宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)物理学家贾斯汀·库里(Justin Khoury)说。“这个主见非常强有力。但谁知道呢?或许我们真的有必要扔掉这些行之有效且美丽名贵的原则。所以现在是一个非常幽默的时刻。”

 

1905年,爱因斯坦在撰写他的第一篇相对论论文时,并没有考虑到不变性或对称性,但前史学家估测,他在瑞士专利局任职期间与物理界的隔绝,或许帮忙他看穿了人们习认为常但又无用的问题。

和他那个时代的其他物理学家相同,爱因斯坦也在考虑一些看似不相干的难题。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦方程提醒了电场和磁场之间的亲近联络,但在不同的参照系中,不管观察者是在运动仍是中止,其作用看起来都是大相径庭的。此外,电磁场在空间中传达的速度几乎与实验中重复测量的光速完全契合——不管怎样,光速都不会改动。观察者可以朝着光跑,也可以从光中冲出去,速度没有改动。

爱因斯坦把这些点联络起来:光速是电场和磁场之间对称联络的可测量表现——这是一个比空间本身更底子的概念。光的传达不需要任何介质,因为它本身就是运动中的电磁场。“中止”的概念——由艾萨克·牛顿提出的静态的“绝对空间”——是没有必要且没有含义的。“这儿”或“现在”这两个概念并不是普适的:对一个观察者来说不同作业或许一同呈现,但对另一个观察者来说则不是如此,而且两个观察者的观念都是正确的。

追逐光束发生了另一种共同的作用,即爱因斯坦第二篇相对论论文的主题,“一个物体的惯性是否取决于它的能含量?”答案是必定的。你追得越快,就越难再加速。改动发生的阻力在光速下变得无穷大。因为阻力是惯性,惯性是质量的衡量,所以运动的能量转化为质量。“质量和能量之间没有本质区别,”爱因斯坦写道。

爱因斯坦花了好几年的时刻才知道到,空间和时刻是交织在一同的一个时空结构,不可切割。“他仍然没有以一种完全共同的方法考虑时空,”麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的物理学家和科学前史学家戴维·凯泽(David Kaiser)说。

共同时空是一个很难了解的概念。但是,假设我们考虑一下“速度”的实在含义,它就初步变得有含义了。光速和任何速度相同,都是一种联络——跟着时刻的推移而移动的间隔。但是光速是特其他,因为它不能改动;你的激光束不会因为从一个高速工作的卫星上发射而前进得更快。因此,对间隔和时刻的测量有必要根据一个人的运动情况而改动,然后导致所谓的“空间缩短”和“时刻胀大”效应。不变的是:不管两个人相关于对方的速度有多快,他们总是测量相同的“时空间隔”。坐在作业桌前,你穿越了时刻,但几乎没有穿越空间。世界射线以靠近光速的速度飞越悠远的间隔,但几乎不穿越时刻,永久坚持一初步的情况。这些联络是不变的,不管你怎样改动其他要素。

 

引力

 

爱因斯坦最早提出的狭义相对论是“特其他”,因为它只适用于时空中安稳不变的运动——而不是像物体向地上下落那样的加速运动。令爱因斯坦烦恼的是,他的理论没有包括引力,而他极力将引力归入其间,使得对称性成为他思想的中心。凯泽说:“当他全身心投入到广义相对论中时,他在不变性和时空间隔的概念上投入得更多了,他认为这些是不应该依赖于观测者的情况的。”

具体来说,爱因斯坦对一种没有什么影响的改动或许说一种没有含义的对称感到困惑。把一团揉皱的纸和一串沉重的钥匙并排扔到地上,看到它们以某种方法、几乎是奇迹般地一同着地,仍然令人震惊——正如伽利略从比萨斜塔上扔下轻球和重球所证明的那样。假设重力依赖于质量,那么一个物体的质量越大,它的下落速度就应该越快。令人费解的是,实践并非如此。

 1933年,德国数学家埃米·诺特(Emmy Noether)被纳粹政权赶出哥廷根大学(University of Gottingen),移居美国,在布林莫尔学院(Bryn Mawr College)和高档研讨院(Institute for Advanced Study)任教。

爱因斯坦在一次出名的思想实验中获得了要害的构思。他梦想一个人从楼上掉下来。这个人会像宇航员相同快乐地漂浮在太空中,直到地上挡住了他的去路。当爱因斯坦知道到安闲下落的人会感到失重时,他把这一发现描绘为他终身中最快乐的主见。他花了一段时刻才承认广义相对论的数学细节,但当他证明引力是时空本身的曲率时,引力之谜就解开了。如爱因斯坦梦想中的人或伽利略的球这样的“坠落”物体,只是沿着为它们开荒的时空途径运动。

在狭义相对论问世10年后,广义相对论初度宣告时,一个问题呈现了:能量如同不可能在强弯曲的时空中守恒。众所周知,天然界中某些量总是守恒的:能量的量(包括质量方法的能量),电荷的量,动量的量。德国数学家埃米·诺特(Emmy Noether)在一项特其他数学研讨中证明,这些守恒量中的每一个都与一种特定的对称性有关,这种改动不会改动任何东西。

 

诺特证清楚广义相对论的对称性——它在不同参照系之间转化时的不变性——确保了能量总是守恒的。爱因斯坦的理论得到了数学支撑。自那往后,诺特和对称性都站上了物理学的中心舞台。

 

物质

爱因斯坦之后,对称性的吸引力变得更加健壮。保罗·狄拉克(Paul Dirac)妄图让量子力学与狭义相对论的对称性要求相容,他在一个方程式中发现了一个负号,标明“反物质”有必要存在,否则不能平衡这两者。实践的确是这样。不久之后,沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)妄图说明放射性粒子衰变过程中如同丢掉的能量,他估测,丢掉的能量或许被某种不知道的、难以捉摸的粒子带走了。是的,这个粒子就是中微子。

从20世纪50时代初步,不变性焕发了新生命,变得越来越抽象,用凯泽的话说,它“跳出”了时空的对称性。凯泽说,这些被称为“规范”不变性的新对称变得极点多产,“为世界存在供应了条件”,因为它要求从W和Z玻色子到胶子的全部粒子都存在。他说:“因为我们认为这种对称性是如此重要,有必要不惜全部代价保护它,所以我们发清楚新东西。”规范对称“规矩了你有必要引入的其他成分。“举个简略的比如,我们在旋转120度仍不变的三角形有必要具有三条相等的边的条件。

规范对称性描绘了构成了我们的世界的粒子系统的内部结构。它们标清楚物理学家们在不改动任何重要东西的情况下,可以改动、旋转、曲解等各种方法改动方程式。亚历山大说:“对称性奉告你可以用多少种方法翻转物体,改动力的作用方法,但它不会改动任何东西。”其作用是在支撑着天然的底子成分的躲藏的支架上窥探这个世界。

规范对称性的抽象性在某些领域引起了必定的不安。“你看不到整个机制,只看到作用,”迪杰格拉夫说。“我认为规范对称性仍然存在许多疑问。”

正如宾夕法尼亚大学的物理学家马克·特罗登(Mark Trodden)所说,为了解决问题,规范对称性发生了描绘单一物理系统的多种方法——这是一种冗余。斯特德说明说,规范理论的这一特性使得核算“极点凌乱”。一页又一页的核算只得出了非常简略的答案。这让你想知道:为什么?中心全部的凌乱性从何而来?一个或许的答案就是规范对称性给我们的关于冗余的描绘。

与这种内在的凌乱性相反,对称性一般呈现给我们的是简略性。跟着瓷砖图像的重复,“你只需要看一小部分,就可以猜想剩下的部分,”迪杰格拉夫说。你不需要两个规则,一个满足能量守恒其他一个满足物质守恒。世界是对称的,因为它在大尺度上是均匀的;它没有左,右,上,劣等方向。“假设不是这样的话,世界学将会是一团乱麻,”库里说。

 

对称性破缺

最大的问题是,现在所了解的对称性如同无法回答物理学中一些最大的问题。的确,对称性奉告物理学家去哪里寻找希格斯玻色子和引力波——这是以前十年的两个严峻发现。一同,根据对称性推理猜想的一系列作业还没有在实验中被证明,包括“超对称”粒子,该粒子可以作为世界的暗物质,而且可以说明为什么引力与电磁力以及其他力比较为什么会这么弱。

在某些情况下,天然界底子规则中的对称性在实践中如同被打破了。例如,当能量通过遵照巨大的公式E = mc2凝结成物质时,作用是等量的物质和反物质——一种对称。但是,假设大爆炸的能量发生了等量的物质和反物质,它们就应该互相湮灭,不留任何物质的痕迹。但是,我们还存在着。

完美的对称性本应存在于世界前期的高温时刻,但当它冷却下来时,这种对称性就被损坏了,就像完全对称的水滴在结冰时失去了一些对称性相同。(一片雪花或许在六个不同的方向看起来是相同的,但融化的雪花在每个方向看起来都是相同的。)

“每个人都对自发对称性破缺感兴趣,”斯科蒂尔说。“天然规律遵照对称性,但你感兴趣的解并不如此。”

但是是什么打破了物质和反物质之间的对称性呢?

假设今天的物理学被证明背负着不必要的支架,没有人会感到惊讶,就像爱因斯坦之前误导人们的“真空”概念相同。一些人认为,今天的误导甚至或许与对对称本身的痴迷有关,至少现在人们是这样了解的。

许多物理学家一贯在根究一种与对称性亲近相关的概念,称为“对偶性”。“对偶性对物理学来说并不新鲜。波与粒子的对偶(即我们熟知的“波粒二象性”)自量子力学诞生以来就一贯存在。但是新发现的对偶性提醒了令人惊讶的联络:例如,一个没有重力的三维世界可以在数学上等同于一个有重力的四维世界。

假设对不同空间维度的世界的描绘是正确的,那么“在某种含义上,一个维度可以被认为是可替代的”。特罗登说。

“这些二象性包括要素有维度的数量,我们认为这是不变的,”迪杰格拉夫说,“但它们不是。这两种等价描绘的存在,以及随之而来的各种核算,提出了“一个非常深化、近乎哲学的观念:是否存在一种不变的方法来描绘物理实践?”

没人扔掉对称,其间一部分原因是它如此健壮,也因为对许多物理学家来说扔掉意味着扔掉“天然性”,扔掉根究世界和事物工作的方法。

显着,天然的某些方面——比如行星的轨道——是前史和偶然的作用,而不是对称性。生物进化是已知机制和偶然的结合。作为对爱因斯坦“天主不掷骰子”的说法的回应,马克思·波恩指出“天然,以及人类事务,如同既受必定性的分配,也受偶然性的分配”,或许他是对的。

物理学的某些方面有必要坚持不变——例如因果联络。“作用不能先于原因,”亚历山大如是说。其他作业几乎必定不会。

在未来必定不会起要害作用的一个方面是光速,它奠定了爱因斯坦作业的基础。爱因斯坦在一个世纪前提出的光滑时空结构在黑洞内部和大爆炸的时刻会不可防止地被撕成碎片。“假设时空正在溃散,光速就不可能坚持安稳,”亚历山大说。“假设时空正在溃散,什么是不变的?”

某些对偶性标明时空是从更底子的、也是最乖僻的联络中发生的:爱因斯坦所说的纠缠量子粒子之间的“鬼魂般的”联络。许多研讨人员认为,这些长程相关将时空缝合在一同。正如凯泽所说,“希望类似于时空连续这样的东西能作为次级的效应,由更底子的联络呈现出来,包括纠缠联络。”在这种情况下,他说,经典的、连续的时空将是一种“幻觉”。

新观念的高门槛在于,它们不能与量子力学和相对论等一贯可靠的理论相悖——包括支撑它们的对称性。

爱因斯坦早年把建立新理论比作爬山。从更高的角度看,你可以看到旧的理论仍然存在,但它现已改动了,而且你可以看到它具有更大的、更具包容性的风光。并不是像费曼以“上星期的马铃薯”作为类比的建议那样,未来的思想家们或许会用量子纠缠中编码的信息来考虑物理学,量子纠缠直接编织时空来把“马铃薯”拔擢在最初步的当地。

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