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物理学的六个基本原理

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爱因斯坦曾经说过:“这个世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的。” 至少要感谢他,我们对宇宙有了更深层次的理解。而在现代物理学的两大基石——量子力学和广义相对论——的背后有着六个基本原理,是我们每个人都应该知道的。

– 原理 1 – 光速不变原理 

回到1860年代,麦克斯韦在前人的基础上统一了电学和磁学。电磁理论最伟大的一个成果就是预言了电磁波的存在,并证明了电磁波在真空中的传播速率与真空中的光速 c 相同,从而揭示了光的电磁本性。而且,他也得出了一个结论:“光相对于任一惯性系的速度都为c。” 也就是说光速是不变的。这很奇怪。根据我们的经验,如果有一个人在移动的车上发射了一枚子弹,对于一个站在路边的旁观者来说,子弹的传播速度是它发射出的速度加上车的速度。

△ 上图:警察A发射的子弹以100mph的速度射中强盗,而警察B发射的子弹则以100-50=50mph的速度射中强盗。下图:无论是警察A或B,都将以光速c射中强盗。(图片来源: M. Rulison)

但是,20多年后,美国物理学家迈克尔逊和莫雷在寻找传播光的介质——以太,他们的实验出乎意料的得出了一个结论:光速是一个常数!不仅如此,光速还是宇宙的速度极限。无论是物质、信息、引力或其它力都无法超越光速。爱因斯坦认为光速不变是自然法则,这也成为了他构建两个相对论的起点。

▶ 扩展阅读:《爱因斯坦的五个思想实验》

狭义相对论:

爱因斯坦发现,光速不变原理有一些奇怪的结果。想象一下你坐在两架相互靠近的宇宙飞船中的其中一架,它们分别以90%的光速运动。从你的角度看,另一架的速度是多少?我们不用去管确切数字是多少,但肯定不会大于光速。1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论,空间和时间会弯曲来满足光速不变。例如,运动中的时钟走的比较慢,也就是说你在一架飞船中会老的更慢。同时,运动中的尺子也会显得更加的短。日常生活中的速度,这些效应都是可以忽略的,但是一旦速度接近光速,它们就变得非常显著。

△ 运动中的时钟走的更慢。(图片来源: M. Rulison)

▶ 扩展阅读:《狭义相对论有什么特别的吗?》

E=mc²:

著名的方程E=mc²就是源自于狭义相对论,用光速把能量和质量联系了起来。因此,在欧洲大型强子对撞机中,可以通过将两束质子在高能下对撞产生许多大质量的粒子。

▶ 扩展阅读:《为什么E=mc²?》

– 原理 2 – 等效原理 

16世纪时,伽利略意识到在没有空气阻力时,从比萨斜塔扔下两个质量不同的物体(比如一根羽毛和一个铁球),将以同样速率落下并同时落地。在阿波罗15号登月任务中,宇航员David Scott在没有空气的月亮上确认了该原理。牛顿认为,这之所以会发生必须满足一个奇怪的巧合:惯性质量 = 引力质量。为什么会这样?对于这一重要的事实的思考,爱因斯坦提出了等效原理:在空间的一个足够小的区域,一个观察者感知到的引力场的物理效应和另一个在没有引力场区域以匀加速运动的观测者所感知的物理效应相同。爱因斯坦认为这是他一生中最快乐的思想。

△ 爱因斯坦宣称没有任何物理测量能区别在左图(加速中的火箭)和右图(在地球上)中红色小球的运动。换句话说,加速度可以“欺骗”你,让你觉得是在引力场中。(图片来源: Wikimedia Commons user Markus Poessel)

▶ 扩展阅读:《爱因斯坦的陀螺》

广义相对论:

爱因斯坦将狭义相对论和等效原理结合,发展了全新的引力理论——广义相对论。用惠勒的话总结:“时空告诉物质如何移动;物质告诉时空如何弯曲。” 广义相对论为我们理解宇宙在大尺度范围如何工作提供了框架。

△ 弯曲时空的概念直接源于等价原理。(图片来源: Graham Templeton)

▶ 扩展阅读:《什么是时空?》《广义相对论的六大验证》

– 原理 3 – 宇宙学原理 

在伽利略时代之前,哥白尼认为地球在宇宙中并不是一个特殊的地方。一个世纪之后,牛顿在他的《原理》一书中假设太阳系被嵌入在一个均匀的空间之中,该空间在所有方向无限延伸。这些是宇宙学原理的起源。现代宇宙学原理认为,无论你朝宇宙中的任何地方或任何方向观测,宇宙看起来都是一样的,没有任何地方是特殊的。虽然在局部区域,我们会看到物质以太阳系、星系和星系团的形式存在,但在一个足够大的范围下,就会发现宇宙是均匀与各项同性的。在建立宇宙学模型的过程中,这一原理使所需要的数学大量的简化。但宇宙学原理的有效性受限于我们的视野。例如,2013年天文学家发现宇宙一个由星系组成的巨大超结构,延伸超过100亿光年,称为武仙-北冕座长城,使宇宙学原理受到挑战。

△ 宇宙学原理认为无论朝宇宙的哪个方向看,我们都会看到同样的物质分布。。(图片来源: M. Rulison)

▶ 扩展阅读:《宇宙大爆炸是从哪里开始的?》

标准宇宙学模型:

当爱因斯坦第一次利用广义相对论建立宇宙学模型时,他认为宇宙是静态的:即不膨胀也不收缩。但是,在1920年代,对遥远星系观测发现它们“红移”了,意味着遥远的星系在不断地远离我们。其他科学家运用广义相对论加上宇宙学原理,构建了一个膨胀中的宇宙。这些是现代标准宇宙学模型的开始。它描述了我们的宇宙起源于138亿年前,从一个炽热、致密以及无限小的一个点膨胀至今天我们观测到的宇宙。这个理论也包含了一些我们现在仍然难以解释的惊喜。

△ 根据天文观测和标准宇宙学模型绘制了宇宙的演化时间线。(图片来源:WMAP Science Team)

▶ 扩展阅读:《关于宇宙大爆炸,你需要知道的五个事实》《可观测宇宙有多大?》

– 原理 4 – 量子化 

1900年,普朗克试图用数学更好的描述从灯泡辐射出来的能量。当时的理论跟实际观测不符。在几次失败的尝试后,普朗克发现他能够消除该隔阂,但是他不得不作出一个大胆的假设:一个物体辐射出的电磁能并不是连续的,而是以一份份能量包的形式。普朗克一开始认为这些“量子”是理论的局限,而不是对现实的描述。但是到了1905年,爱因斯坦在研究光照射金属会驱逐电子后提出了光电效应,认为光是由离散的粒子组成的,称为光子。但这仅仅只是开始。随着量子理论的发展,我们发现不仅能量是一份份的,许多其它的性质,比如电荷和自旋,都有一个最小的单位。为什么必须是这样,没有人知道。

△ 普朗克提出电磁辐射的能量是被量子化的,而不是连续的。(图片来源:C24)

▶ 扩展阅读:《十个问题,带入认识量子力学》

– 原理 5 – 不确定性原理 

如果你踢一个足球,你可以同时知道它在哪里以及它要去哪里。但是,在亚原子粒子世界,情况就不这么简单了。你对一个粒子的位置知道的越精确,你对它的动量知道的就越少,反之亦然。这就是量子不确定性原理,在1920年代中期由海森堡提出。它不仅连接了位置和动量,也连接了能量和时间,以及其它。不确定性并不是来自于测量装置的精确性,而是根本的限制了我们对这个世界能够有多少理解。正是因为不确定性原理,粒子才有机会“隧穿”在经典物理中不可能克服的能量障碍,使发生在太阳的核聚变成为了可能。它也允许粒子能够在看起来空无一物的真空中短暂的出现。

△ 我们永远无法同时知道粒子的位置和速度。(图片来源:Chad Orzel)

▶ 扩展阅读:《量子力学的又一次胜利:一个80多年前的预言被验证》

– 原理 6 – 波粒二象性 

在20世纪初,当物理学家发现光其实是由光子组成的时候,使人们非常困惑。因为在这之前,光也表现出所有波所具有的性质,比如干涉和衍射。在1924年,德布罗意提出,这个行为是普遍的,而且是双向工作的:像波的光可以表现粒子的行为,而电子和其它的物质粒子也可以表现出波的行为。在这个波粒二象性的图景中,一个量子物体同时处于所有可能的位置或状态,称为“叠加态”,只有在进行测量后才会坍缩为其中的一个状态。薛定谔对此构想了一个思想实验:一只猫同时处于生和死的状态。量子叠加态的魔法也是未来建造量子计算机的关键。

△ 光可以同时表现的像波和粒子。(图片来源:S.Tanzilli, CNRS)

▶ 扩展阅读:《双缝实验的危机?》《薛定谔猫又来了》《十个问题,带你认识量子计算机》

量子力学:

广义相对论支配着整个宇宙在大尺度下是如何运作的,而微观尺度下则由量子力学所掌管。量子力学正是起源于对量子化、不确定性原理和波粒二象性的理解,它完美地描述了亚原子粒子的运作方式,尽管这背后的原理带来了许多反直觉的概念。正如广义相对论一样,量子力学也仅仅是一个框架。在它可以用来描述真实的粒子之前,它必须结合狭义相对论,因为这些粒子通常都以接近光的速度在运动。

量子纠缠:

量子力学有一个非常令人困惑的性质,那就是量子纠缠。爱因斯坦在1935年和另外两位物理学家提出了一个思想实验。简单的说就是,两个相互关联的粒子会一直保持这种关联,无论它们相距多远。只要知道了其中一个粒子的状态,就会立即知道另一个粒子的状态。爱因斯坦把这称为“鬼魅般的超距作用”,坚持认为有某种看不见的力量在影响着这种纠缠状态。因此量子力学必须是不完备的。过去,有许多实验都表明量子纠缠的确存在,爱因斯坦或许错了。

▶ 扩展阅读:《宇宙贝尔实验,再次证明了鬼魅般的超距作用》

量子场论:

狭义相对论告诉我们,质量和能量是等价的。量子力学告诉我们粒子可以在任何地方出现。而量子场论则将这两个理论联姻在一起,描述了所有的粒子其实都是由场“激发”出来的。英国物理学家狄拉克在1928年写下了相对论性的量子力学方程——狄拉克方程,描述了相对论电子的行为。他的方程预言了一种跟电子完全一样的粒子,除了拥有相反的电荷。在理论提出的不久后,科学家在宇宙射线中发现了第一个反粒子——正电子。

▶ 扩展阅读:《告诉你一个真相:你所知道的粒子,其实都是场》

粒子物理学的标准模型:

△ 粒子物理学的标准模型。(图片来源:CERN)

经历了几十年的努力,物理学家发展出了粒子物理学的标准模型,描述了自然界中的三种基本力和基本粒子。在过去的几十年,标准模型漂亮的通过了所有的实验检验。它描述了携带基本力的玻色子和构成物质的费米子之间的相互作用,而两个量子场论则是它的核心。量子电动力学(QED)描述了光与物质间的相互作用,并和弱核力被统一成单一的电弱力。量子色动力学(QCD)则是描述强核力的一个理论。标准模型的巅峰来自2012年,当希格斯玻色子的发现填补了标准模型的最后一块拼图。

▶ 扩展阅读:《十个问题,带你认识粒子物理学》《一场基本力之间的较量》

基于这六个基本原理,物理学家发展了标准宇宙学模型和粒子物理学的标准模型,它们各自都成功地经受住了无数次的检验,但同时我们也面临着六个亟待解决的问题。

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