量子力学和相对论是现代物理学的两大支柱。
1905年,爱因斯坦发表狭义相对论,1915年发表广义相对论。
我们基本上可以认为相对论是爱因斯坦一个人建立,但是量子力学的建立要复杂
量子力学的开端始于对黑体辐射的测量。最开始,1859年德国科学家基尔霍夫首先提出来一个物体热辐射的理论,即物体辐射出来的能量,只和物体的温度以及辐射出来的电磁波波长有关系。
后来,斯蒂芬和波尔兹曼提出了一个斯蒂芬~波尔兹曼定律,这个定律显示:黑体的热辐射只和温度的4次方成正比。
而且,斯蒂芬和波尔兹曼的推导过程都很严格,是从热力学定律和麦克斯韦电磁理论里面推导出来的。
所以,这个时候就是两个物理学定理开始打架了,一个说和波长有关系,一个说没关系。那么到底有没有关系?
后来做了实验,在某些情况下有关系,在某些情况下又没关系。
也就是说,实验做出来的曲线在一部分情况下符合基尔霍夫定律,在另外一部分情况下符合斯蒂芬~波尔兹曼定律。
普朗克根据实验曲线,用拟合的方式凑出来一个公式,这就是黑体辐射公式。然后再去解释这个凑出来的公式上面的每一个参数的具体含义。
这个公式显示,电磁波的能量和波长有关,同时必须假定能量是不连续的。
后来,爱因斯坦在研究光电效应的时候,发现普朗克的假设是正确的,必须假定,电磁波的能量是一份一份的。
电子只有吸收到超越某个极值的那份能量,然后才会产生电子发射效应。
爱因斯坦因为正确解释了光电效应,而获得了诺贝尔奖。
这一系列的事件,可以看成是量子力学发端的标志性事件。
因为这些是科学实验和科学假设告诉我们:这个世界完全是离散的和不连续的。
就像我们人的胳膊,实际上是和身体不连在一起的,它之所以不被扯掉下来,是因为分子和分子之间有氢键、二硫键等分子间的力把它连在一起的。
这些分子间力的本质作用是因为电磁力,而电磁力是因为吸收和发射虚光子引起的。
量子力学颠覆了以前科学家对这个世界的理解。
但是,量子力学解决了一个哲学问题:这个世界到底是不是无限可分的。
假如这个世界是无限可分的,那么就会面临着这个世界可以有无数多种组合,有无数多种规则,有无数多种现象,结果就是。万物的运动规律是一团乱麻,不可能构造如此有序的世界。
组成万物构造的最基本单位是原子,它只有三种东西构成:电子、质子和中子。
有限,就意味着物质的统一规律。
假如世界是无限可分的,我们可以设想一下,如果一个学校里面有无数本书,那么到底谁会毕业呢?没有人会毕业。
也可以认为,如果世界是无限可分的,那么就面临着一个没有结论的后果。
所以,量子力学告诉我们:基本粒子的数量是有限的,只有60多种。
且即是空间的大小,也不是无限可分的,分到最小不可再分的尺度,叫做普朗克尺度。
但是,这里又有一个问题。根据广义相对论,时空是连续的和光滑的。而且现在观察到的现象:时空确实是连续光滑的。
距离我们地球几亿光年以外的星星,它发出来的光在宇宙中经过了几乎是无限长的距离,飞到了我们眼睛里。
假如时空是不连续的,光线在飞行过程中会散射,损失能量。
因为按照量子力学的假设,真空其实并不是空的,它是虚粒子的海洋。每时每刻每分每秒,都有虚粒子产生同时在瞬间湮灭。
在几亿光年这一条直线上光飞过来,一个虚粒子都不碰到是不可能的,假如到一个虚粒子,这种碰撞就会损失能量,真空也会被加热。
如果时空是离散的这种现象真实发生了,那么天文学家的望远镜镜头下远处的星星是看不清楚的,它是模糊的,就像人得了近视眼一样。
这意味着这个世界上同时存在着量子力学的离散真空,又存在着连续、光滑的真空。
20世纪初,德国著名的数学家希尔伯特为了解决数学证明的一系列问题,提出了一个公理化原则。
公理化原则解决了一个问题,什么样的理论系统才具备导出结论的能力。
公理化原则,一个有效运行的系统:至少要有两套不同的理论。
公理化原则是说,如果一个理论体系要能够推导出结论,那么这个理论体系必须由N条公理组成, N要大于等于2。同时,这N条公理必须满足:彼此不相互矛盾~相容性,同时彼此独立。
从这个角度讲,宇宙最少应该拥有两种法则。
假如这个世界只有一种法则,那么最终的最后的结果,从数学上来说,可以得到无数个结论。
这一点又和时空的光滑性具有类似性质。
所以我们这个世界既应该是有限的,又应该是无限的。
这个世界就像一个有无数本书的学校,每一个学生都可以随机的学任意数量的书,但是那些恰好学习了相同书的有限的学生,组成了一个彼此可以相互理解的世界。
这样的世界有无数个,但是他们彼此感觉不到对方的存在。
所以,在无限的世界里,每个人都只能看到有限。
这个世界有无数种规则,有无数物质,那些执行相同规则的物质,组成了我们的可观测宇宙。
所以,这个世界就是由有限和无限,两种规则构成的。
量子力学触及到的是有限的那部分,而相对论描述的是无限的那部分。
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