奇怪的专利
这些现象的原因是任何一个初中生都明白的。这就是300多年前一位名叫艾萨克·牛顿的伟大科学家告诉世界的引力效应。然而,当时的牛顿承认,他并不清楚两个物体为什么会相互吸引,这种吸引力是如何传递的。
所以现代科学花了一个多世纪来研究引力,但最后的结果是引力根本不存在,万物的相互吸引只是因为时空的曲率变了。而且,不仅引力不存在,我们每天熟悉的时间和空间也不存在。
时空不存在?这太疯狂了,对吧?
耐心等待,请继续阅读,让我们一起开启前沿科学的认知之旅。
很久以前,古人直觉认为天是圆的,地是方的。天上住着神仙,地上住着凡人。因为上帝是万能的,他们可以住在天上,不会掉下来。太阳、月亮和星星只是上帝居住的宫殿。我们很多人都是在这样的神话传说中长大的。
15世纪初,葡萄牙人麦哲伦率领一支船队从西班牙出发,一路向西航行。三年后,它回到了起点西班牙。这是人类第一次环球航行,也是第一次实践证明我们生活的地球不是平的,而是一个球体。
但是,有一个问题。根据对称原理,球体一边的人是头脚站立,另一边的人必然是倒立。
人怎么能长时间倒立生活?这个问题困扰了科学界一个多世纪,直到牛顿提出万有引力。
出生的牛顿一口气提出了运动三定律、万有引力和光学原理,几乎解释了人们日常看到的一切,尤其是万有引力,不仅解释了物体总是落在地球表面的现象,还解释了宇宙中天体的运动。后人这样评价牛顿:上帝说要有光,于是就有了牛顿!
牛顿力学统治了世界200多年,直到另一位天才科学家爱因斯坦出现。
那时候爱因斯坦还是专利局的一个小文员,但是他什么事情都不认真做,每天脑子里都是科研的大问题。
爱因斯坦因提出光子假说并成功解释光电效应而获得1921年诺贝尔物理学奖,但他对科学最大的贡献是相对论。
首先,狭义相对论否定了牛顿的绝对时空观,光速不变原理颠覆了牛顿力学。但是狭义相对论留下了一个问题,那就是光速不可逾越和引力超距离传播的矛盾。
爱因斯坦认为任何物体的速度都不可能超过光速,但引力是瞬间起作用的。他当然不会怀疑自己的理论有问题,所以问题一定是牛顿的引力。
所以,爱因斯坦用了十年时间,才提出了更有力的广义相对论。在广义相对论中,引力根本不存在。物体之所以落在地球上,是因为地球的质量或能量使其周围的空间发生弯曲。物体在空间中倾向于按照最短的距离运动,弯曲的空间就是最短的距离。
我们很难想象三维空间弯曲是什么样子,但可以用二维平面来类比。
例如,如果你把一个铅球放在弹簧床上,铅球本身的重量可以弯曲弹簧床,使它下垂。这时,如果你把一个玻璃球放在弹簧床上,玻璃球就会顺着凹陷处滚下去。如果你给玻璃球一个横向速度,玻璃球会围绕凹陷做圆周运动。这不就是我们平时观察到的落体、移星现象吗?
简单来说,引力不在空间传递,引力场本身就是空间。
广义相对论简洁优雅地解释了引力现象,并在随后的各种实验中被证明是正确的,其中最著名的就是水星岁差现象。
水星是太阳系中离太阳最近的行星。根据牛顿引力,它的轨道应该是一个闭合的椭圆。
然而实际观测到的是水星的近日点每转都靠近太阳。进动幅度虽然很小,但经过一个世纪的积累,已经达到了可观测的水平。这种现象不符合牛顿引力公式的计算结果,但完全符合爱因斯坦引力场方程。
广义相对论逐渐被人们接受,但它的创始人爱因斯坦开始不高兴了,因为他试图统一引力场和电磁场,但失败了无数次。
我们知道,在看不见的空间里,存在着真实的电磁场。电磁场以电磁波的形式传输能量。最小的能量包就是我们常说的光子。这个现象是由爱因斯坦首先发现的。
在这种情况下,引力场是否类似于电磁场,有引力波和最小量子场?
爱因斯坦预言了引力波的存在,但他无法想象最小的引力量子场。空间应该是连续的。怎么会有量子空间?而且不能用引力场的公式推导出来。
在爱因斯坦之后,随着量子力学的发展,一个叫Marwit的年轻科学家解决了这个问题。
我们用一个思维实验来解释马维特的发现。假设我们现在要观测一个很小的空间,也就是引力场,因为引力场是看不见的。为了方便起见,我们在里面放了一个微观粒子作为标记。
但是,根据海森堡的测不准原理,微观粒子不可能长时间停留在空间的某一点,而是会随时逃逸,而且空间越小,粒子的动量变化越大,携带的能量也越大。
无限小的空间,无限大的能量,是不是很熟悉?
是的,无限小区域内的粒子会让空间坍缩成黑洞。自从黑洞出现后,粒子和那个空间就会消失,空间也就不存在了。
这意味着无限小的空间是不存在的,空间和电磁场一样,有自己的量子尺度。代入公式,量子空间的长度为10 (-33) cm,也叫普朗克长度。
任何东西都不能进入普朗克长度以下的空间,因为它不存在。
既然不存在无穷小的空间,就意味着空间不是连续的,我们通常看到的一大片区域,在微观层面上是由无数个普朗克长度的量子空间组成的。
你可以简单的把它想象成一个直径为10 (-33) cm的珠子做成的网。这些网像磁力线一样交错,形成了我们的空间,我们每个人都生活在其中。
引力效应是物质与珠网相互作用的结果,类似于电子在电磁场中的运动,引力的传播是通过珠子传递的。
这里注意,文章中所说的空间本质上是时间和空间,是空间和时空的结合。这个广义相对论已经被证明了。
所以我们日常感知的个体时空在微观世界中是不存在的,这只是我们对世界粗糙感知的结果。这就类似于你肉眼看到的是光滑的大理石平面,但是用显微镜观察,光滑的表面立刻变成了沟壑隆起。
引力也不存在。我们生活的量子场只有无数个。那就是我们通常所说的时间和空间,但和我们之前所想的大不相同。世界的本质就是各种量子场的涨落和相互作用,没有别的。
好了,今天的分享就到这里。下次见!