专栏名称: 赛先生
赛先生由百人传媒投资和创办。文小刚、刘克峰、颜宁三位国际著名科学家担任主编,告诉你正在发生的科学。 上帝忘了给我们翅膀,于是,科学家带领我们飞翔。
目录
相关文章推荐
科普中国  ·  牛奶、热水、冰淇淋,到底谁更解辣? ·  4 小时前  
环球科学  ·  如何织出立体图案?科学家找到了新算法 ·  2 天前  
科学世界  ·  袁岚峰:量子不是粒子 ·  2 天前  
51好读  ›  专栏  ›  赛先生

超引力的“真”与“美”|当阿热遇见赛先生

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2017-05-29 07:47

正文

请到「今天看啥」查看全文



至此,我们先回顾一下广义相对论(General Relativity,简称GR)。“几何”(geometry),这个人们已经熟知几千年的词,一直都被视为一座“被动的剧院”(passive theater),物质在其中相互作用。而广义相对论彻底的革新就在于,它把几何变成了一个自身有着动力学变化的实体,它遵守运动定律(爱因斯坦方程),而不是对所有物体预先固定——事实上,“几何”是最后一个坍塌的“先验概念(a priori)”!这些方程指明了几何如何对物质做出反应,同时又决定着物质的运动过程,而物质就是其他所有存在的场。另外,广义相对论里还有一个普遍概念,即所有的物质和引力的相互作用都必须是一致的,没有例外。而且几何也以一种复杂的(几何的)方式和自身发生作用。


广义相对论中的时空与几何(图片来源:Johnstone/CC BY-SA 3.0)


所有这些看起来疯狂的想法都有观测结果,并以更有条理与更普遍的形式涵盖了古老的牛顿万有引力定律,随其预测的修正,皆受到验证,从未出现过矛盾。最新的、也是真正让人叹为观止的胜利,涉及到引力波的观测——正如一百年前GR被发明时所预言的,令人难以置信的微小时空振动,才在去年(2016年)被LIGO以超乎想象的高精度激光束探测器观察到;更甚者,这些振动波能够被追溯到GR的另一个疯狂预言——黑洞,而我们探测到的引力波,就是黑洞碰撞产生的遗迹。因此,我们可以确信爱因斯坦的理论是正确的,尽管和其它理论一样,它只在受到验证成功的范围下可靠——但它适用的范围很大,延伸到极大与极小的尺度。


让我再带你回顾一下爱因斯坦令人激动的梦想:将几何与物质统一成为一个单一的整体。这个梦想成为了他晚年顽固的追求,虽然鲜有硕果,但它也带来了一些未曾预料到的新概念:尤其是我们的宇宙可能存在于高于四维的时空,这最终成为弦论(string theory)的一个基本观点。在我结束对GR的简介以前,我想指出,在量子情形下,我们将组成引力波的玻色子称为引力子(graviton),自旋是2。我们熟悉的电磁场也由同为玻色子的光子组成,光子的自旋是1。


所以,在这儿我们一方面是纯几何,另一方面是无理性的物质,尤其是那些奇怪但又不可或缺的费米子(我们就是由这些费米子构成)。这样两极分化的概念,怎么可能互相联姻,实现大统一呢?这正是我们最新的“游乐场”——SUSY的王国,它于1969年在莫斯科被发现,几年之后在纽约又被独立发现,并且可以被追溯至弦论早期。我现在必须给你讲讲这个全体物理学家都一致同意是个极其优美的概念。


“爱社交”的玻色子(左)和“不爱社交”的费米子(右)(图片来源:Ludwig-Maximilians University)


让我们后退一步来看:从历史上来讲,物理学里最大的进步,就是“在一组变换下的不变性(the notion of invariance under some set of transformations)”这个概念。想想最基本的:在我们通常的空的三维欧氏(Euclidean)空间中的旋转(rotation)和平移(translation)——如果你在某个固定方向上移动或者旋转你的座椅,这个世界看起来都是一样的。这个概念可以被推广到更加抽象的空间,同时仍保留相同的基本想法。这些空间可以由一组粒子的某些特性所标记,在特定的设定中,所有粒子在各种相互交换下 有相似的行为。因此,SUSY将会在某种“旋转”中将玻色子和费米子同等对待,只保留它们具有不同的群体行为——“爱社交”或者“不爱社交”。这在数学上只是一个小进步,但它已经创造了很多的物理和数学的文献。事实上,欧洲核子研究中心(CERN)的LHC加速器最初的设计并不只是为寻找“希格斯”(Higgs)玻色子,也是为发现SUSY的踪迹,即与已知粒子极性(polarity)相反的伴随粒子(companion particle)。这里面有很多难以理解的学问,但是你只需要想想旋转不变性(rotation invariance)的类比:旋转角度将x和y轴混合,而SUSY则是将自旋为1的像光子那样的玻色子,和自旋为1/2的像电子那样的费米子混合。这就对了——这就是所谓“通俗版SUSY”!


大统一及其缺陷







请到「今天看啥」查看全文