物理学陷入困境:接下来我们该怎么办?

   2024-02-18 互联网980

  布赖恩·格林:美国哥伦比亚大学的理论物理学教授,以下文字摘自于他2011年出版的着作《隐藏的现实》。格林被公认在超弦理论中做出了很多具有开拓性的发现,他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,着有《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等书。

  数学是现实之根吗?

  是什么让我们如此确定数学能揭示自然界最深处的奥秘呢?

  19世纪晚期,英国物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到光是一种电磁波,他基于此创立的麦克斯韦方程组表明,光速应该为30万千米/秒。这一数据与实验测得的数值相差无几。但是,麦克斯韦方程组给后人留下了一点小小烦恼,那就是,30万千米/秒这一数值是相对于什么而言的呢?

  爱因斯坦为了解决光速的参考系问题,人为地引入了“以太(aether)”这一概念。爱因斯坦设想在宇宙中充满了一种均匀的无质量的物质,他把它叫做“以太”,光速就是以这种“以太”为参照系的。但是,后来的理论发展和实验却证明,“以太”是不存在的,光速在任何参考系中都是一样的。这也是狭义相对论的一个基础。

  爱因斯坦创立的狭义相对论颠覆了几个世纪以来与空间、时间、物质和能量有关的一切思想,但爱因斯坦并没有止步于此,最终,他创立了广义相对论。广义相对论认为,万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。广义相对论目前仍然是宇宙模型的基础。

  上述细节具有重大的历史意义,但又不仅如此,所有人都看到了麦克斯韦方程组背后的数学,而只有天才的爱因斯坦才花费了很大的精力和心血来研究它,并最终基于此做出了伟大的发现。

  这个故事很好地阐释了诺贝尔奖得主史蒂芬·温伯格的一段话。温伯格曾经表示:“我们的错误并不在于我们太把已有的理论当回事,而在于我们并没有对它们给予足够的重视。”

  温伯格的这段话指的是天文学上的另一个重大突破——美国科学家拉尔夫·阿尔法、罗伯特·赫尔曼以及乔治·伽莫夫的预测,即大爆炸之后的瞬间会产生宇宙微波背景辐射。其实,只要科学家们将广义相对论与基本的热力学理论结合在一起考虑,就会自然而然地得出上述结论。

  1948年,阿尔法和赫尔曼预言,宇宙大爆炸产生的残留辐射,由于宇宙的膨胀和冷却,如今它所具有的温度约为绝对零度(零下273摄氏度)以上5开,或者说5K。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。

 
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