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理论物理学都追求简单吗?没那么简单!电子|夸克|理论新浪科技

    资料来源:中国科学院物理研究所。今年夏天我参加了一个与高三学生的座谈会。我问他们哪个方程最简单最有名。很多学生都说11等于2,但我总是觉得11等于2有点太简单了,不太出名。此外,11等于2,这不是一个方程,物理方程应该包含物理量。向下看,最著名的物理公式无疑是爱因斯坦的质量和能量方程,E=mc2。为什么质量-能量关系方程很简单?因为它有出乎意料的连接。令人惊奇的是它把能量和质量联系起来。关联是追求简单性的重要原则。非常好的联系。爱因斯坦对此说了很多。1932年,他在哥伦比亚大学说,我们正在寻找一种将观察到的事实联系在一起的思想体系,这种体系将具有最大的可能简单。我们所谓的简单性并不意味着学生掌握这个系统的难度最小,而是意味着这个系统包含最少的独立的假设或公理。1933年6月,在访问牛津大学期间,他强调所有理论的崇高目标是使这些要素尽可能简单,数量尽可能少。所以爱因斯坦家族最伟大的事情就是它们可以连接时间和空间,质量和能量,重力和时空几何。把这些看似不相关的东西联系起来,使得这个理论非常简单而深刻。因为它简单、深刻,而不是相反。反之亦然,因为追求深刻,所以追求简单。在很多情况下,简单是真理及其力量的重要标志。给我举几个例子。狭义相对论中的质量和能量方程,如原子弹爆炸,是核裂变。在核裂变之前和之后,质量很差,转化为能量。另一个例子是核聚变。为什么太阳能晒热呢?因为它在内部融合。在这个巨大的变化过程中,由于质量低劣而产生了能量。给出了能量变化质量的另一个例子。现在我们已经进入多信使天文学时代,不仅电磁波、中微子、宇宙射线、引力波成为探索宇宙最深处的有效探测器。二元中子星的合并或其他剧烈的天体过程产生大量的高能光子。当它们在空间中传播时,它们与宇宙微波背景辐射,即非常低能光子相互作用。两个光子之间的相互作用变成一对正电子和负电子。光子是辐射和能量,而正负电子对是物质和物质。这是一个能量改变质量的简单例子。我们有许多例子来证明爱因斯坦的理论是正确的。高能研究所下面的北京正负电子对撞机就是一个很好的例子,其中电子或正电子的速度是0.99999c(c是光速)。如果狭义相对论错了,我们就不能控制这种高速电子束和反电子束。爱因斯坦的广义相对论方程爱因斯坦的广义相对论不再把引力看作一种力,而当质量物体存在时,就会发生时空的几何变形。就像一个平蹦床。如果你把重物放进去,它会凹进去的。时空曲率和质量能量分布是等价的。这是一个全新的想法。首先,美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)提出了现代黑洞理论,并命名为黑洞,他说:时空告诉物质如何移动,物质告诉时空如何弯曲(时空告诉物质如何移动,物质告诉物质如何弯曲)。他的陈述非常对称,非常好。兰道说,爱因斯坦的广义相对论方程可能是最美丽的理论。兰道是一个非常挑剔的人。他认为那是最美的东西。那一定是最美的东西。所以苹果从树上掉下来,不一定是因为苹果和地球之间有重力。利用爱因斯坦的广义相对论,大质量物体弯曲时空,所有物体都倾向于沿着测地线运动。因为当飞机下沉时,当然,飞机上的球会滚向下沉区域,所以苹果公司认为最经济的路线(测地线)是向下寻找的路线。这是一种新的理解。从不同的角度用不同的语言描述同样的现象也是科学家应该具备的基本素质。在这种情况下,时间和空间是弯曲的,光会绕道而行。上个世纪初,英国科学家爱丁顿通过观测日全食证明了爱因斯坦对广义相对论的预测。实际上,在大质量物体存在下会产生时空曲线,而当光沿着测地线传播时会产生曲线。这使我感到特别鼓舞。光也可以走弯路,更不用说人了?我们犯错误并受到老师或父母或其他人的批评是很正常的。即使如此惊人的粒子也能绕道而行。犯一些错误,走一些弯路,遭受一些挫折,对我们来说没有问题。这些年来,我学到的最伟大的教训之一就是如何宽容:如果你犯了别人可能犯的所有错误,你就会变得宽容,而且你不会太想责备别人。因为我自己也犯了同样的错误,所以没必要谈论别人。这就是为什么当爱因斯坦的老人建立广义相对论时,他不能再使用欧几里德几何,而必须使用黎曼几何。因为时间和空间弯曲了。我们提出了一个新的理论,一个物理学的新概念,以及一个非常先进的数学描述。我们想用最简单的数学方法描述自然背后最深的物理本质和规律,这当然是一个巨大的挑战。统一:爱因斯坦的老人在理论物理学上追求简单,后人则追求简单。他甚至追求简单、经济、团结。统一很简单。我们实现了电与磁、光与电磁波、电磁力与弱核力、时空、质量与能量的统一,但很多东西还没有统一。大统一理论希望统一电磁力和强弱核力。弦理论追求一种万物理论。它统一了引力,构造了量子引力。当然,没有成功的理论来实现这个梦想。统一将非常简单;否则,不同的力将由不同的耦合参数描述,而统一将由耦合参数描述。我们追求朴素,在某种意义上,我们追求深刻、统一、完整、宏大的物质形象。同时,我们需要运用更好的数学语言来追求数学意义上的美感。复杂表达往往缺乏审美意识,而简单对称的表达往往具有审美意识。我们从中学开始学习电子索引。著名的欧拉公式特别漂亮。费尔曼塔曾经说过,这是数学中最显著的公式。为什么?因为这个公式把自然界的两个很重要的参数,自然对数的基数e和虚数单位I联系起来。这很容易与简单和经济联系起来。为了追求经济性,必须使参数尽可能少,结构尽可能简单,预测能力尽可能强。为了构建理论,这样的要求必须是合理的。但是有时候,你研究的物理系统并不能保证你能达到这种简单和经济。在历史上,有一个所谓的奥卡姆剃须刀原则,即,实体不能超过需要而倍增。什么意思?不要添加任何你不需要的东西,越简单越好。你为什么经常刮胡子、刮胡子和理发?没必要!胡须对脸重要吗?它会影响你的饮食吗?它会影响你看到的东西吗?所以根据Oakam剃须刀的原理,即使是眉毛也可以剃掉,而不会影响你的生活质量。这是一个具有尽可能少的自由参数的面部的例子,甚至一个剃须头。这曾经是一些研究自然科学和社会科学的学者遵循的指导原则——追求简单,用两个参数来描述事物,从不使用三个参数。在对中微子振荡的讨论中,我们首先假设这两种类型的中微子相互转换,以解释太阳和大气中微子振荡的实验数据。后来发现不可能引入三种类型的中微子来解释所有可靠的实验数据。在某种程度上,科学不可能一开始就很复杂。如果最初假设有三个甚至四个中微子,那么参数将是众多的。但是当时只做了一种实验,实验数据很少。用许多参数来描述一个现象并不令人感兴趣。无法限制参数空间,也无法得出正确的物理结论。所以首先使用最少的参数,然后使用较少的参数,慢慢走向完整的理论。让我给你举个例子。1973年,两位日本理论物理学家小林光诚(Makoto Kobayashi)和Maskawa(Toshihide Maskawa)做了出色的工作。他们是京都大学的博士后或助理教授。他们提出,根据当年的标准模型框架,当时仅发现三个夸克不足以解决物质-反物质不对称问题,需要引入三个夸克。这六种夸克组成了三代三族。然后引入CP破坏的相位角,即在夸克混合矩阵中引入不可约的虚部。这个虚构的部分确保了物质和反物质之间可能存在不对称性——两者最初都是对称的,但是通过动态进化它们变得不对称。这就是著名的小林-伊川CP破坏机理。伊川明英教授后来说,他在浴缸里洗澡时正在思考这个问题。由于当时只有三种夸克在实验上被观察到,所以在简单的“三夸克”框架内,该理论实际上没有办法破坏CP对称性。洗完澡,他的想法产生了:如果引入三个新的夸克,问题就解决了。有人开玩笑地称日本的伊川阿基米德教授。这个小故事给我们的理论家带来了什么灵感?不要总是呆在办公室里想着如何计算。如果你不想的话,去洗手间,或者吃冰淇淋,或者别的什么。李正道先生和杨振宁先生关于弱功能的非保守称谓的观点是一起吃。每天一起吃饭是不可能的。每隔一周一起吃饭没问题。如果你想做理论,你必须有理论家的风格。你不能太拘谨。有规律地放松自己,这样你的大脑就能产生很好的想法。小林教授和易川教授的文章看起来很简单,但是物理思想很深刻。这项工作获得了2008年的诺贝尔物理学奖,他们发现了CP对称性破缺的机制,并预测了自然界中三代夸克的存在。想想看,当时只有三种夸克。为了从理论上解释CP损伤效应,引入三个新的夸克,然后引入四个自由参数。当时,根本没有实验证据。价格太高了吗?你敢那样做吗?如果是我,我不敢。对我来说,引入一个新粒子和一个或两个新参数是非常不经济的,而且我会担心其他人是否会相信我的理论模型以及我的文章是否能够被接受出版。他们引入了三个新的夸克,四个未知参数,包括三个混合角和一个CP破缺相。当时,毫无疑问,这是一个非常大胆的预测。但幸运的是,他们走在正确的轨道上。最后,实验证明了它们的预测是正确的。这启示我们,作为一名理论家,既要有品位、模式,又要追求整体理论的整体性和预测能力。有时需要作出假设并引入一些新的粒子和参数,但在许多情况下可能不需要。此时,我们不得不进行权衡,看看自己付出的价值是否值得。

欢迎阅读本文章: 刘蓉

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