您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:手机棋牌游戏平台 > 无序 >

混乱无序的时空:牛顿完全错了!

发布时间:2019-05-31 14:08 来源:未知 编辑:admin

  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“

  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。

  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。

  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。

  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?

  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/2c^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。

http://techndates.com/wuxu/54.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有