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万物原理[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]原理君
原理 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-01-17 20:30
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普朗克长度是1.6×10⁻³⁵米 是目前已知的物理定律的尺寸极限 可观测宇宙的跨度达9.3×10¹⁰光年 是自大爆炸以来光可触达的范围极限
在1.6×10⁻³⁵米和9.3×10¹⁰光年之间 是科学告诉我们的 万物原理
普朗克尺度
在我们这个宇宙中 并不存在真正的静止
海森堡很早就意识到 在微观世界中 位置和速度无法同时被精确测量 换句话说 我们越是精确地知道一个粒子的位置 对其动量的了解就越少 他称之为不确定性原理
这一原理还有其他不同的表达形式 比如能量和时间之间的关系 也就是说 如果我们在一个极小的时间间隔内 观察一处极小的空间 就失去了准确知道那里存在的能量的能力
这就可能带来一些怪事出现： 这一点空间中的能量将极其不确定 即使它看起来空无一物 实际上其中充斥着真空涨落 也就是迅速出现、又转瞬即逝的小能量包
一些理论因此认为 当我们来到普朗克尺度 也就是我们物理定律的基本尺寸的极限中 时空就不再是平滑的 在这最小的尺度上 每时每刻都上演着 最惊心动魄的能量动荡
粒子和场
在我们认识世界的过程中 最深刻的颠覆在于 我们学会了否认经验的客观事实 比如味觉、冷暖和颜色 而通过不甜、不苦、不热、不冷 也没有颜色的基本单元 来理解物理现实
从古希腊的德谟克利特开始 我们就逐渐形成了“粒子”的想法 尽管当时的粒子 和如今所说的基本粒子大相径庭 到了20世纪 一种被称为量子场论的理论框架出现了 它结合了经典场论、狭义相对论和量子力学 调和了场和粒子这两种不同的特性
量子场论告诉我们 粒子其实是相应的场的激发 也就是场中的“涟漪” 即使再简单的东西 也是自然中所有量子场共同作用的混合
这一理论框架是由一批杰出的物理学家
花了数年时间拼凑而成 它描述了微观的粒子世界 成了现代基础物理学的理论支柱之一
人类
尽管我们对于如何精确地定义复杂性 还没有达成科学的共识 但我们看到实际的现象、 每一种典型的人类活动 核心都涉及随时间变化的、复杂的物质形态 人类大脑的基本单位是神经元 每个神经元都是一个小型信息处理装置 单独的神经元之间通过许多连接相连 如果要考虑那么多神经元 通过各种各样的方式 连接起来的可能性 那我们将会得出 一个令人眼花缭乱的数字 它远远超过银河系中恒星的数量
如此数量巨大的神经元 以错综复杂到难以置信的方式连接在一起 那么一个人能做出何等惊人之事 似乎都不足为奇
在不同的情况下 物体的形态会呈现出不同的结构 从神经网络到空气振动皆是如此 其中每一种形态都包含着不同的元素 比如符号、记忆、信号、指令、角色等 动态复杂性是这一切背后的深层结构 我们对物质现实的深刻理解 包括生物学以及心理学、经济学 这些学科的兴旺繁荣 都离不开动态复杂性打下的坚实基础
天体
直到17世纪 被称作科学革命的一系列鼓舞人心的突破 才真正说明了人类心灵创造性地参与到 物理世界中能实现什么 而且产生这些突破的方法和态度 也为人类未来的探索提供了清晰的模型 有了这种推动力 我们所知的科学才真正开始 再也没有回头
这种新的观念的灵感 主要来自天体力学 也就是描述天空中的物体如何运动的学科 17世纪初 开普勒创造了一个既简单又精确的 行星运动几何模型 他吸收了哥白尼的想法 并对托勒密的模型做出了 重要的技术变革 提出了开普勒行星运动定律
这一理论不仅让我们对天体运行 有了更精确的认识 更重要的是 它带来了更深远的影响
17世纪后半叶 牛顿证明了开普勒的行星运动理论 可以被理解为 某种一般定律的特殊情况 它如今被称为经典力学的牛顿理论 这一理论不断取得成功 解释了地球潮汐、预测了彗星轨迹 创造了新的工程奇迹
宇宙
牛顿引力理论建立在 那些关于力的简单定律的基础之上 它在200多年的时间里 一次又一次取得新的成果 但它从一开始就包含着 许多无法解释的巧合 直到1915年 爱因斯坦提出了他的引力理论 也就是广义相对论 它重新想象了空间、时间和引力 以一种前所未有的方式 圆满地解释了牛顿所认为的巧合 并最终取代了牛顿的理论 引用惠勒的总结 广义相对论说的是 “时空决定了物质如何运动 物质决定了时空如何弯曲” 自从它在1919年日全食观测中得到验证后 一个多世纪以来 从黑洞、引力透镜到引力波 再到宇宙学模型 我们从爱因斯坦留下的瑰宝中 发掘了一个又一个宇宙级现象 它也是现代物理学的另一根理论支柱
谜团犹存
从最小到最大 科学理论不仅向我们 展示了万物运转的原理 它们还是重要的提示 告诉我们应该 遵循它们的指引 找到更广泛的定律 从而看见世界的全貌
我们已经取得了很多成就 但是仍然有很多工作等着去完成 我们还不知道宇宙诞生之初 极大与极小统一的时刻 我们对宇宙的“黑暗面” 也就是暗物质和暗能量知之甚少 然而人类有一种特殊品质 就是能够识别自身理解中的空白 并且从填补空白的过程中获得快乐 这就是现在无数科学家正在做的事情 而当一个人的脑海中 总是在思考着一些听起来不可思议 却又是真实存在的事物时 你很难不会想要进一步了解他的思想
幸运的是 一位当代最具创造力的物理学家 非常乐于与更多的人分享 他对世界的见解 他就是诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克
在他的最新作品《万物原理》中 维尔切克讲述了我们可以 从对物理世界的研究中 学到哪些最基本的道理
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发表于 2022-1-18 03:47
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