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混乱无序的时空:牛顿完全错了(自然学科)  

2015-05-27 21:29:00|  分类: 自然篇 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  混乱无序的时空:牛顿完全错了(摘自万维读者网 信息时代

科学中既关键,受重视程度又最不够的贡献之一是数学对物理宇宙进行的描述——也就是用连续而流畅的数学函数对宇宙进行的描述,比如用正弦波描述光线和声音。这偶尔会被称作“牛顿第零运动定律”,因为事实上他的三大著名定律就是这些函数的体现。


  20世纪早期,艾伯特·爱因斯坦重击了牛顿宇宙,他向我们展示,空间既被质量弯曲,也和时间有着内在关联。他把这个新的概念称作“时空”。这个理念在令人震撼的同时,它的方程式却仍然和牛顿的一样,保持着流畅和连续。

  但是近年来一小部分研究人员的发现暗示,时空实际上却是生而随意的,因此在小尺度上,连“牛顿第零定律”也行不通了。

  让我们来探究一下这其中的深意。

  首先,什么是时空?你可能会回想起平面几何,如果在一个平面上画两个点,并从第一个点出发,画x、y两个坐标轴,那这两个点之间的距离就是x^2+y^2的平方根,x和y是第二个点的坐标。在三维空间中,这样的距离则是x^2+y^2+z^2的平方根。

  这些距离是恒定的。无论你怎么画坐标轴,它们的值都不会改变。

  牛顿第零定律是科学中受重视程度最不够的贡献之一。

  那么如果把时间当作第四个维度加入进来呢?四维坐标系中的点名为“事件”:它可以用x、y和z,以及特定的时间t来指出。

  那么该如何获知两个事件间的这段“距离”呢?也许有人会认为情况是相似的,这段距离是x^2+y^2+z^2+t^2的平方根,但并不是,因为如果你绘制坐标的方式不同,这段“距离”是会改变的,因此实际上不能把这当成真正的距离。

  爱因斯坦发现,这段恒定的距离是x^2+y^2+z^2-ct^2的平方根,在这里c是光速。假如你改变坐标轴的绘制方式,x、y、z和t的值可能会发生变化,但x^2+y^2+z^2-ct^2的平方根却是不变的。

  对爱因斯坦来说,x、y、z和t这四个维度实际上是存在于同一个概念中的基本要素,因此他称之为“时空”。

  爱因斯坦用一个极具智慧且高度复杂的逻辑链,推断出引力是时空本身的几何学特征——曲率,而曲率是质量存在的结果。根据爱因斯坦的观点,假如宇宙中没有质量存在,那时空就将是“平坦”的,也就是说,没有曲率。

  要理解空间的曲率,可以想像在一个球体表面上的一只二维甲虫。这只甲虫怎样才能知道它所在的平面不是无限的?它可以朝一个方向前进,一段时间后发现又回到了出发的地方。

  它也可以在表面上用正确的角度绘制x和y两个轴,计算从坐标起点开始到其他任意一点的距离,如果不等于x^2+y^2的平方根,那这只聪明的甲虫就能推断出它所在的空间是弯曲的。

  因此曲率影响两点间的距离,而质量决定曲率。

  这就是爱因斯坦对时空理解的本质,但他的相对论只是20世纪两个物理学伟大革命之一;另一个是量子力学。

  人们会很自然地想知道:量子力学是如何影响时空的几何学特征的?这是当今物理学中最大的谜团之一,而时空的随机性很可能是答案的一部分。

  量子力学的核心“海森堡测不准原理”和其他一些观点认为,每个自然体系,即便温度低达绝对零度,都会有剩余能量存在。这种剩余能量名为“零点能”,在时空中,即便是“空无一物”的真空,也具有这种能量。

  真空是由粒子和反粒子构成的,它们会持续不断地出现、相撞和湮灭。粒子的突然出现和消失导致了真空零点能在时间上产生波动。因为能量相当于质量(E=mc^2),而质量产生时空曲率,真空能量的波动导致了时空曲率的波动。

  这反过来又造成了时空两点间距离的波动,也就是说,在小尺度上,时空是嘈杂而随机的,距离和时间是不明确的。

  如果我们在一个不是太小的区间内观察量子波动,那这种波动会趋向于平均化。但是如果我们在一个无限小的区间——或一个点上观察,我们就会发现它拥有无限的能量。

  因此我们也许会想知道:多小的尺度足以让我们能够关注感兴趣的物理学特性,又不至于太小以致于只看得到那些能量——在那个距离上,最合适的测量单位是什么?

  真空是由粒子和反粒子构成的,它们会持续不断地出现、相撞和湮灭。

  要回答这个问题,我们就要跟随马克斯·普朗克的思路。普朗克被认为是量子力学之父,他试图探求距离的“自然单位”——也就是一种非随意性的标准(随意 性标准如米和英尺等)。他提议用普遍存在的常量来表述自然单位:真空光速(c);用以表述引力场强度的引力常量(G);以及用以表述粒子能量和频率间关系 的普朗克常量(h)。

  普朗克所构想的这个最小距离“自然单位”,也就是我们今天所知的普朗克长度LP,它可以用方程式LP=(hG/2πc^3)^(1/2)来表示。

  普朗克长度非常小,大约10^-35米。它比质子的直径还要小亿万亿倍——由于太小,所以无法进行测量;也正因为从未被测量,所以存在着争议。

  但是普朗克长度非常重要。弦理论完全取消了点的概念并建议把普朗克长度作为最短的长度。新出现的量子圈引力理论同样也是如此。极小体积内存在无限能量这个问题也被彻底避免,因为它杜绝了这种可能性。

  普朗克长度还有另一个重要方向。相对论预测,观察者在一个快速移动的参考系内所测得的距离会变小——也就是所谓的“洛伦兹收缩”,但是普朗克长度非常 特殊——它是唯一一个能够仅用c、G和h,而无需加入其他随意性常量推算出的长度——所以它可以在所有参考系内保持相同的值,而不涉及任何洛伦兹收缩。

  但是由于普朗克长度是从普遍存在的常量中推算出来的,因此它在所有参考系中都必然拥有相同的值;它不会因洛伦兹收缩而改变。这意味着在这个尺度上,相对论不适用了。

  对这一现象,我们需要有新的科学解释,而无序时空也许堪当此任。不会因洛伦兹收缩而变短的普朗克长度意味着它是一个基本定量,一个基本单位,或一个基本长度。

  由此还可以知道,维度小于普朗克长度的体积是不存在的。普朗克长度成了描述时空“颗粒”,也就是时空最小结构的极好候选者。

  马克斯·普朗克试图探求距离的自然单位——一种基于普遍常量的标准。

  现在,我们终于可以描述“无序时空”了。首先,它是颗粒状的,这些颗粒的大小,大致相当于普朗克长度。

  其次,这些颗粒间的距离是不确定的。量子力学认为,物体越大,它所呈现出来的量子特性就越不明显,因此随着时空区域内的质量增加,它的随机性就会降低。(这与相对论有点类似。相对论认为,区域内质量越大,该区域的曲率就越高。)

  理论上可以推断,假如宇宙中没有质量,时空将不如爱因斯坦的相对论所认为的那样平坦,而是彻底无序,无法确定的。没有了质量,空间还有什么用?

  再次,和弦理论和量子圈引力理论不同。在无序的时空中,因为那个尺度上固有的随机性,这些颗粒彼此之间会发生漂移,就像装在一个盒子里的弹子球那样。 无序意味着假如我们轻轻晃动这个盒子,里面的弹子球就会四处移动。体积单元(弹子球)的漂移也许可以用来解释为什么在普朗克长度上相对论不适用。

  由于相对论依赖于牛顿第零定律,依赖于流畅连续的数学函数——而在接近普朗克长度的尺度上,这些流畅的函数将失去用武之地。

  艾萨克·牛顿肯定会非常震惊。他以为空间和时间是毫无特征的虚空,只不过是他三大运动定律方程式里的参考系。虽然这的确是我们每个人的日常生活体验。“无序时空”理论所设想的时空是颗粒状的、不确定的,它超出了流畅持续的函数所能描述的能力范围。

  我们可以从量子力学身上看到的希望,是能够通过方程式推导出时空本身的特性——它们并不是随意搭建的屋顶,而是深植于地底的支柱。

  作者CarlFrederick是理论物理学博士,曾在美国航空航天局和科内尔大学担任研究工作,现在是一名科技创业者和专业科幻作家。

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