有望完成爱因斯坦遗愿的圈量子理论为什么想要干掉“时间”?
当今物理学想要解决的最大难题,就是用一个简洁明快的方程解释所有的物理现象,这被称为“大统一理论”,又被称为“科学终级难题”和“万物理论”。
在众多候选理论中,有两个理论最为突出,它们分别是“弦理论”和“圈量子理论”。弦理论试图应用数学的方法统一广义相对论和量子力学的方程;而圈量子理论则试图通过将空间量子化的方法让相对论融入量子力学。
左弦右量,孰是孰非?
它们二者目前都不太不完美,弦理论的公式实在是太繁琐了,而且这个理论预言的粒子还没有找到。圈量子理论倒是不需要添加新的粒子,但是它更疯狂,意欲将时间“彻底干掉”,颠覆我们对世界的认识。今天我就来给大家介绍一下后者,一个更有趣的理论。
相对论的时空与质能还未统一
要了解“将相对论融入量子力学”,我们就要先从相对论开始认识。广义和狭义相对论是怎么描述时间和空间的呢?时间和空间是一体的,物质和能量也是一体的,质能会影响时空。
广义相对论:质量影响时空
现在我们可以发现,这样解释的世界存在着两大阵营:时空阵营和质能阵营,它们可以相互影响,但是构成机制完全不同,就像是一只布偶猫和一捆海带一样,看不出一点点相似的地方。
但是现代生物学让我们知道,不管布偶猫和海带看上去有什么不同,它们都是真核生物,它们的遗传物质都是DNA,这就是它们内在的联系。所以我们要将相对论纳入到量子力学中,就必须要改变我们认识时空和质能的模型。比如原来我们对猫的认识是“血、肉、皮、骨”,而对海带的认识是“叶子、叶子、和叶子”,这样是无法达成共识的,我们要把视角放大到足以看到它俩的微观结构上,这时候我们才会恍然大悟:原来它们都是细胞构成的呀!
真核生物就是有细胞核的生物
空间的细胞:空间量子
这就是圈量子理论的第一个重要假设:空间是由“空间量子”组成的,它不是存在于空间之中,它就是空间本身,真空其实根本不存在。通过公式我们计算出空间是由闭合的圈构成的,而这些圈会相交产生交点,这些交点就是空间量子,这也就是圈量子理论名字的来源。
早期圈量子的想象图
在物理史上,人们曾认为光的传播也是需要介质的,于是给这种介质起了个名叫“以太”,但是后来人们发现,必须要放弃“以太”存在的假设才能和实验观测相符,因为如果介质运动,那么其中的传递的光也一定会一起加速才对,可是就像大家都知道的一样,测量结果显示光速不能叠加,它总是一个定值。从那时起光的地位就发生了重大转变,光被认为是不需要介质就可以传播的,同时它也是宇宙中最快的速度。
这一结论引发了爱因斯坦的思考,并得出了两个相对论,但是相对论只是完成了精确计算时空现象的任务,却不能解释光速的本质是什么。这就好像哆啦A梦给了我一台万能年糕机,我知道只要把大米放进去就会吐出年糕,但是并不知道机器里到底发生了什么。 爱因斯坦本人的余生精力也全都放在了这个问题上,但是直到去世也并没有成功,所以说——大一统理论是爱因斯坦的遗愿。
他已经成为了一个科学的符号
如今,圈量子理论再次给光的传播加上了介质,那拥有介质的光为什么不能速度不能叠加呢?这就要引出本理论的第二个重要假设了:我们的世界不是物质的世界,而是“互动”的世界,构成宇宙的基本要素就是“互动”本身,而物质才是在“互动”中展现出的特征。(本来我看到的词是“事件”,但是我认为“互动”更能体现精髓就替换了)
上面这句话是什么意思呢?不要慌,别急着关掉文章,看我下面的解释你一定能明白。
颠覆主体客体:不是先有鸡才有蛋
水波是大家最熟悉的波,也就是水分子振动而传播的能量,在我们认识水波的时候,水分子是主体,振动是客体,意思也就是说没有波动的时候水分子也是存在的,振动不过是水分子在某一个时间的修饰词而已,有没有它水分子还是水分子。
但是在量子世界我们发现了一些神奇的事情,比如光子;当光在传播和时候它是以光子的形态在飞吗?通过实验我们发现一个惊人的事实,它传播时其实是波,只有撞到东西时才会变成粒子!这是一个什么实验呢,名叫单光子干涉实验,也就是在人们发现光的波动性后,猜想是不是因为很多光子在飞过干涉缝时相互影响造成的,所以他们设计了一个一次只发射一个光子的光源,让它通过干涉缝,这样就没有别的光子影响它了,应该可以安安稳稳地通过这两条缝了吧……
当时间累积,干涉条纹就会越来越明显
并没有!经过足够久的时间后,它还是出现了干涉条纹!它自己在和自己干涉?!经过研究后人们只能得出这样一个结论:光在传播的时候就只是波而已,只有当它和其他物体接触的时候才会将它分散的能量集中在一处,变成一份能量,事实上我们都是通过它打在物体上后呈现出的点状才给它起名叫光子的,从来都没有人知道这个光子到底是什么形状。
这也就导向另一个神奇的结论:一个能量(波动)的粒子性和粒子的能量性(波动性),是可以相互转化的,粒子不是永恒的存在。理解了这个现象后再去理解“互动”的宇宙你就会明白它到底是什么意思了,它就是要把波的主体和客体颠倒过来!
在传统的认识中,“粒子”是水分子,“互动”(一个水分子影响另一个水分子)是水波,而在圈量子理论认为——“互动”才是水分子,“粒子”其实是水波!
量子的表现造就了物质的属性,它们转换身份了
在这样一个“互动”宇宙中,“粒子”是“互动”的一个修饰词,当“互动”达到一定条件后,就会“现形”成为一个粒子,就像是水中出现了一个环形转圈的水波,让水面凸了起来,看上去就像是一个物体。
这些线构成空间,而空间的结点就是空间量子
用空间量子理解相对论
那这么怪异的一个理解方式物理学家为什么要创造它呢?因为可以从量子的角度翻译相对论,把相对论纳入量子物理的框架中!现在让我们试着用它来解释一下相对论中的问题:
1、光是什么?光是空间量子一个接一个触发“互动”的现象
2、光速为什么是宇宙最快速度?因为空间量子间的微小距离决定了速度的上限,而光就是空间量子的互动,所以占有了最快的速度。
3、为什么光速不能叠加?上面说了光是空间量子的互动,而且是最底层最快的那种,所以其他的各种运动和粒子都是在空间量子上的一团慢悠悠的互动,从根源上就不可能叠加,光不是被光源发射出去的,而是出现在空间量子中就自动“感应”传播的现象。
光就是空间本身的波动,没想到吧
是不是觉得“好像有那么一点道理?”。不要急,我们还没解释相对论中最大的谜团呢——时间膨胀。而且在接下来的解说中我会揭秘标题上的坑——为什么要干掉时间。
消灭通货膨胀的时间
相对论说,高速运动的物体相对静止的物体时间会变慢,而且时间和空间是不可分的,1光年的距离对应着1年的时间差,这个用圈量子理论是如何理解的呢?
你有没有想过,每次你看表的时候,看到的并不是时间,而是表的刻度?其实这是一个很明显的事情,我们没法看到时间,就只能通过看另一个比较有规律的物理现象来代替时间。也就是说我们可以写这么一个等式:
干活一上午 = 4小时 = 表的时针走4格。
把中间的时间省略,我们就得到了
干活一上午 = 表的时针走4格。
这是一个“事件”=“事件”的结构,而“事件”其实就是“互动”的集合,这也就是说,如果我们可以用“互动”来直接计量的话,那么时间就不是一个必要的条件!我可以用一个更贴近生活的比喻帮助大家理解:
一头牛 = 10000元 = 三头猪
钱只是一个交换价值的工具,它本身不具有价值,国家可以立即宣布废除纸币,那它们就一文不值,但是没有什么权力能宣布它可以废除一头牛或是三头猪的价值,一定有人想吃它的肉呀,对不对?
时间会膨胀,钱也可以:通货膨胀
既然圈量子理论已经直达本质(这个理论中认为的)了,那么时间也就没有存在的必要了,所以在圈量子理论的方程中,没有变量t,它所计算每一个“事件”,都是相对于另一个“事件”而言的,如果非要给它们计算时间的话,每一个空间量子都有一个不同的时间。
那为什么我们还能感受到时间呢?因为空间量子太小了,虽然每一个的时间都不一样,但是只要给它们算一个平均值,看得到的结果就是光滑平稳的,就像广义相对论里描述的连续时空一样。
放大放大再放大,就可以看到平滑空间其实是波澜起伏的
时间膨胀又是怎么一回事?当你的速度接近光速时,空间中的任何“互动”想要追上它都会变得困难,如果你达到了光速,则没有“互动”能追上你,而圈量子世界中的时间就是一个“互动”引发下一个“互动”的关系比例,这也就出现了你永远不会被任何已经发生的事件影响的奇异情况;没有了猪,钱还有意义吗?没有,所以你的时间就停止了!
空间量子构成的世界
以前我们把光速运动的人当成是一大团原子在运动,所以我们很难理解为什么速度会影响时间,但是现在我们认识到原子其实是互动的一种特殊形态,而互动才是世界的本质时,你就可以明白,为什么当其他互动追不上我时,时间就会停止。没有因,何来果,不是吗?
这就是圈量子理论的大概介绍了,能看到这里的同学,恭喜你,你对这个神奇宇宙好奇让我感到尊敬。虽然我已经尽力想让每个人都可以理解了,但是这依然是一个高度抽象,难以消化的知识,毕竟它对于世界认识的颠覆太大了,很多人至今仍以其无知的傲慢对相对论抱以强烈的敌意,更何况是要颠覆相对论的一个未经验证的理论呢。