Home » 國際課程 » Details

史上最燒腦物理學科普（上）

Category: 國際課程 Date: 2019年8月18日下午12:45

這是一部壯麗的物理史詩，這是一串光耀后世的姓名。他們是：牛頓，高斯，黎曼，麥克斯韋爾，愛因斯坦，楊振寧，拉馬努金，霍金，維藤……（且慢，最近十年，我們只能在娛樂版看到的楊老師，居然可以和那些大師比肩嗎？可以的！以楊老師和他的學生命名的楊－米場，即所謂標準模型，成功地解釋、整合了四種自然力中的三種。）那么，這些智慧的頭腦到底有多智慧？

我們普遍接受這樣一個結論，即我們現存的這個宇宙起源于一次大爆炸，英文叫做Big Bang！但是，原子物理學家絕不可以止步在如此初級的常識上。

他會告訴你，創世的剎那，是如下的演化階段：

話說：一切，開始于10E^- 43 秒……（10的負43次方秒，也稱為普朗克時間，人類已知的最小時間存在。普朗克時間=普朗克長度/光速。光速定義值：c=299792458m/s=299792.458km/s。）請注意了，這是一個定義值，而不是一個測量值。

言歸正傳，創世的剎那：

§創世時間表

# 10E－43秒，十維宇宙分裂成一個四維宇宙和一個六維宇宙。六維宇宙崩潰，縮成10E－32公尺。四維宇宙（我們今天所在的宇宙）則迅速爆炸，此時的溫度高達10E32（10的32次方）度；

# 10E－35秒，大一統作用力崩解；

# 10E－9秒，電弱對稱崩解，此時的溫度是10E15度；

# 10E－3秒，夸克開始凝聚，中子與質子出現，此時的溫度是10E14度；

# 3分鐘，質子與中子開始凝聚成穩定的原子核；

# 30萬年，電子開始凝聚在原子核周圍，第一個原子出現；

# 30億年，第一個似星體(quasar)出現；

# 50億年，第一個星系出現；

# 100～150億年，太陽系誕生，又經過數十億年，地球上出現了第一個生命。

這個時間表，是哪位大神寫的科幻小說吧？NO！這是目前已經成為眾多科學家普遍共識的創世時間表。

的確，表中所述的那個數量級上的時間、長度、溫度等等所有的數值，沒有任何一個是可以直接測量的，因為目前咱們人類的技術和工具水平，還遠遠不能企及到那個數量級。但是，人類的心智卻做到了——這個時間表里面的每一個數字的背后，都是一堆嚴密的公式和演算，都有一群知名或者不知名的物理學家和數學家，他們是我們人類最智慧的大腦。

回到時間表的第一個事件，“十維宇宙分裂”，這就是我們今天的主題了：超維度空間。讓我們一起看看，兩百年來，科學家們是如何探究世界的本源的。首先，我們先厘清一個重要概念：

◆維度和多維宇宙

一只在直線上行走的毛毛蟲只能前后移動，所以，我們把直線或曲線叫做：一維空間；

一只阿米巴扁平蟲可以在球面上前后左右移動，所以，我們把平面或曲面叫做：二維空間；

一只鳥在我們的空間可以上下前后左右移動，所以，我們的空間叫做是：三維空間；

（加上時間一維，我們的世界是四維的，合稱時空。在這個時空中你要準確標定一個點，需要四個數字，比如：淮海路、馬當路交界，二樓，下午四點。）

依此類推……

如果，有人告訴你，多維空間（四維以上）的人，看著我們的保險柜或房子時根本就是內外一目了然，就像我們看著二維平面上的圓圈一樣，你會不會大惑不解、無法想象、或者毛骨悚然？

當然，對于“眼見為實”來說，這其實涉入了一個哲學難題。如果眼見才是真實的，那么高維度的對象就不是真實的。但從另一個角度來看，人不過是動物中的一種，阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界，我們如何證明我們所能感知的所謂’真實’，豈不是也受限于我們自己的認知條件？

必須承認的事實是：人類的大腦和眼睛，只是為了應付三維空間和四維時空的各種情況演化出來的，因此它們不具備辨識和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認為：宇宙真正的時空，其實是一個十維的空間，其中四維是愛因斯坦的時空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個和它’垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說法，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動這些弦造成不同的音高與音色，于是產生不同的基本粒子，進而發展出所有的物質與作用力。（最新的M理論，有別于超弦理論，認為宇宙是從十一維開始演進的。）

◆只有四種自然力

兩千年來，科學家已經發現我們宇宙的所有現象，都可以簡化成四個作用力：

1、電磁力（electromagneticforce)：包括電力、磁力和光本身，合稱為電磁力。電荷（磁級）正負相同為排斥力，相反為吸引力。由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中第2強。

2、強核力?(strong nuclearforce)：是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞（束縛質子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子傳遞）。在有效距離內，距離越大，力約大。短程力，在四種力中最強，也是恒星燃燒能量的自然力，氫彈的爆炸正是運用強核力的原理。

3、弱核力?(weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物質的衰變形態，是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，較弱，短程力，作用在夸克級的粒子。是四種力中第3強的。

4、重力?(gravitational force，或稱引力）：由引力子傳遞，與質量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中最弱。

◆為何要統一自然力？

一旦人類將所有的作用力整合成一個超作用力，這時會有什么突破。關于這一點，物理學家Paul Davies寫到：“我們能夠改變時空的結構，了解宇宙萬物的來龍去脈，讓物質變得井然有序。控制超作用力后，我們便能任意地組合與改變粒子，制造出前所未有的物質形態。我們甚至能左右空間的維度數，制造出具有不可思議屬性的人工世界。我們將成為宇宙的主宰。”

回看一下人類掌握“力”的歷史：

→人類誕生的歷史超過數千萬年，在99.99%時間里，人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量，大概只有八分之一馬力；

→十萬年前，隨著手持工具的發明，人類的能量輸出倍增，達到一又四分之一馬力；

→牛頓發現萬有引力和運動定律，讓力學被簡化成條理分明的方程組。現代機械原理催生出蒸汽機，人類掌握的能量達到數十到數百馬力；

→麥克斯韋爾方程式，啟迪了愛迪生等發明家，人類進入電力時代，能量級數獲得飛躍，極大地改變了人們的生活。

→愛因斯坦的相對論為人類打開了核能利用的時代，人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

歷史地看：每當人類控制一項自然力，都能大幅提升人類所能掌握的能量，讓整個社會改頭換面。那么，未來的人類需要多大的能量？10E 20億電子伏特起步，超過了現在的一千億倍。否則，我們將無法使空間彎曲，解決航行到遙遠星際的難題；或者，在宇宙崩潰的瞬間，有足夠的能量打開六維宇宙，逃離滅亡的劫難。

下面，就讓我們按照時間順序，回顧一下人類整合四種自然力的歷程：

1黎曼，支撐愛因斯坦的巨人

牛頓曾經說：“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩上”。按照牛頓的這種說法，黎曼毫無疑問正是支撐起愛因斯坦的那個巨人。

一八五四年六月十日，一套新的幾何學誕生了。黎曼在德國哥廷根大學發表了著名的演說，徹底撼動了兩千年來從未被動搖過的歐幾里德幾何學。

黎曼是位數學奇才，高中時期只用區區六天時間完全吸收了《數論》（Theory of Number)，那是一部八百五十九頁的艱澀巨著。

黎曼挑戰希臘幾何學，認為縱然歐幾里德的數學運算極為精確，它的根基卻只是常識與直覺的流沙，而不是扎實的邏輯推演結果。

比如，歐式幾何說三角形三個內角之和等于一百八十度，但這個看似簡單的問題，在數學史上卻從來沒有被嚴密證明過！而且，假如我們身處彎曲表面的世界，這個公式就不成立了。（行文至此，我們必須向歐幾里德先生表達誠摯的敬意！每次想到他老人家兩千多年前寫就的《幾何原本》至今仍然是全世界的中學課本，我就不寒而栗！那些至今未被嚴密證明過的公理，一個生活于公元前300年的希臘人是如何發現的吶？如果這個世界有“神跡”，歐先生當之無愧是其中之一！）

說回到黎曼，他的研究領域甚至延伸到電學，他認為電力與磁力實際上是同一種作用力的不同表象。據此他發展出作用力新解，作出了牛頓兩百年以降的首次劃時代重大突破，徹底推翻了牛頓的超距作用原則，他認為：作用力源自于幾何學，作用力只是由于幾何結構扭曲所造成的必然現象。（牛頓以降，科學界認為作用力是一種兩個遙距物體的即時交互作用，一個物體可以即時影響間隔一段距離的其他物體的運動。）

我們總結一下黎曼的偉大之處：

1、他以多維空間理論簡化了所有自然作用力；認為電力與磁力和重力一樣，只是高維空間彎曲產生的結果。

2、他提出了蟲洞（warmhole ）的概念，黎曼切口是多重連結空間的一個最簡單范例。

3、他以“場”來描述重力，以“度量張量”（Riemann metric tensor）描述空間里每一個點的重力場。（所謂“度量張量”，其實就是一組數字，類似坐標。）

黎曼英年早逝，并未找出電力與磁力的場方程式，也沒有計算出空間要褶皺到什么程度才足以描述不同的作用力，這幾項重要發展留給了麥克斯韋爾和愛因斯坦。