20171108转述《七堂极简物理课》3

现象:我们看到的物体都是由原子组成的。原子由一个原子核和围绕它的电子组成,原子核由紧密聚集在一起的质子和中子构成。质子和中子则由更小的粒子构成,美国物理学家盖尔曼为它们取名“夸克”。我们所触碰到的每样东西都是由电子和这些夸克组成的,夸克之所以能够在质子和中子里“黏”在一起,是因为一种物理学家们称作“胶子”的粒子。我们身边的所有物体都是由电子、夸克、光子和胶子组成的,它们就是粒子物理学中所讲的“基本粒子”。除此之外还有几种粒子,例如中微子——它布满了整个宇宙,但并不跟我们发生交互作用,还有希格斯玻色子,他是在不久前日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机发现的粒子

量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。这些粒子当然并不像小石子那般真实可感,而是相应的场的“量子”,比方说光子是电磁场的“量子”。它们的消失和重现遵循量子力学的奇特定律:存在的每样东西都是不稳定的,永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用。

即使我们观察的是空间中一块没有原子的区域,还是可以探测到粒子的微小涌动。彻底的虚空是不存在的,就像最平静的海面,我们凑近看还是会发现细微的波动和振荡。构成世界的各种场也会轻微地波动起伏,我们可以想象,组成世界的基本粒子在这样的波动中不断地产生、消失。

量子力学和粒子实验告诉我们,世界是物体连续的、永不停歇的涌动,是稍纵即逝的实体不断地出现和消失,是一系列的振荡,就像20世纪60年代时髦的嬉皮世界,一个由事件而非物体构成的世界。

迄今为止,标准模型仍然是解释物质世界最好的理论,它的预测全都得到了证实。除了暗物质和广义相对论中被描述为时空曲率的引力之外,其它的它都很好地解释了已知世界的方方面面。

圈量子引力:广义相对论告诉我们空间不是一个静止的盒子,而是在不断运动,像一个移动中的巨大软体动物,可以压缩和扭曲,而我们被包在里面。另一方面,量子力学告诉我们,所有这样的场都“由量子构成”,具有精细的颗粒状结构。于是物理空间当然也是“由量子构成的”。

这正是圈量子引力的核心结论:空间是不连续的,不可被无穷分割,而是由细小的颗粒,或者说“空间原子”构成的。这些颗粒极其微小,比最小的原子核还要小几亿亿倍。圈量子引力用数学形式描述了这些“空间原子”,也给出了它们演化的方程。它们被称为“圈”或环,因为它们环环相扣,形成了一个相互关联的网络,从而编织出了空间的纹理,就像细密织成的巨大锁子甲上的小铁圈一样。

这些空间的量子在哪里?它们不存在于任何地方,也不在“空间之中”,因为它们本身就是空间。空间就是一个个引力量子相互勾连而成的。世界又一次显得更接近关系的集合,而非物质的集合。

普朗克恒星是不稳定的。一旦压缩到最大程度,就会回弹,重新开始膨胀。这就会导致黑洞的爆炸。假设有一个人在黑洞内部,坐在普朗克恒星上,他看到的爆炸过程其实是极高速的回弹。但是,时间流逝的速度对于他和黑洞外的人是不同的,就像时间在高山上比在海边流逝得快一样。只因为是极端情况,所以这里时间流逝的速度差异极为巨大。对黑洞内部的观察者来说回弹是瞬间发生的,对外部的人来说却是一个极为漫长的过程。所以在我们看来,黑洞在很长时间内都没有变化。我们说黑洞就是回弹的恒星,只不过这个过程是以极慢的速度在我们眼前播放的。

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