存档在 2020年5月24日

四种基本力与大一统理论

2020年5月24日

四种基本力

尽管力的种类多种多样,但是近代科学已经证明,自然界中只存在4种基本的力(或称相互作用)其他的力都是这4种力的不同表现。这四种力是:万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。[1]

力的种类相互作用的物体力的强度力程
万有引力一切质点10-34N无限远
弱力大多数粒子10-2 N小于10-17m
电磁力电荷102N无限远
强力核子、介子等10N10-15m

万有引力与电磁力作用距离为无限远,而弱力与强力力程分别是小于10-17m与10-15m。力的强度差得更大。

这些公示于参数怎么看也没有美感,于是科学家们希望能有一个更完美的理论将四种力统一起来。这个众人期待的理论被大家称之为大一统理论。

大统一理论

大统一理论(grand unified theories,GUTs),简称GUT,又称为万物之理,由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力,万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。理论上宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。通过进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型称为大统一理论。

为了大一统理论,理论学家们进行了各种常数,比如爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的,弦理论使用更抽象的数学工具来常识将基本力整合,不过都距离大一统理论甚远。

弦理论将世界抽象为更基础的一维弦来试图构建一个理论模型,在我看来世界可以通过不同方式建模,就好像数学中的欧氏几何与非欧几何。弦理论将物质抽象为弦或许是因为这样更好进行数学演算?这已经超出了我的能力范围。不过在我看来,应该有更简介更具有美感的方式来描绘这个世界。

[1]百度百科

拉普拉斯妖与薛定谔的猫

2020年5月24日

拉普拉斯妖

拉普拉斯妖(Démon de Laplace)是由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出的一种科学假设。此“恶魔”知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程,过去以及未来。

拉普拉斯相信决定论。

在拉普拉斯生活的年代,拉普拉斯妖的假定以及推理是无法证否的。只可惜时间到了今天,人们发现了不确定性原理,量子力学。简单说就是你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。不仅如此,微观上粒子甚至可以凭空出现与消失,宏观上这基本无法被观测,但微观则不同,比如电子,原子核外的电子运动没有确定的方向与轨迹,更像是出现又消失,消失又出现的幽灵,于是人们把这种现象称之为电子云。

薛定谔猫

1935年,奥地利物理学家薛定谔提出一个思想实验。将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

如此说来是薛定谔的猫杀死了拉普拉斯妖?

爱因斯坦说“无论如何,我都确信,上帝不会掷骰子”我们抛开爱因斯坦这句话是不是就是在否定量子力学的随机性。以我们的观测手段,量子力学的不确定性现象就像是一个黑盒子。我们在黑盒子外无法知道其内部运作原理,但这个黑盒子真的是随机的,还是只是看起来随机?也许看起来随机的状态实际上是由一些我们无法观测的因素导致的确定性的结果呢?

奥卡姆剃刀

奥卡姆剃刀定律(Occam’s Razor, Ockham’s Razor)又称“奥康的剃刀”,它是由14世纪英格兰的逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉(William of Occam,约1285年至1349年)提出。这个原理称为“如无必要,勿增实体”,即“简单有效原理”。正如他在《箴言书注》2卷15题说“切勿浪费较多东西去做,用较少的东西,同样可以做好的事情。”

是否按照奥卡姆剃刀原理,我们应该接受量子力学的随机性,抛弃可能存在的确定性?实用性角度来看,我们应该使用奥卡姆剃刀。而在追求真理的道路上,我认为这把刀不是每次都适用。

脑洞开完,回到当下生活,关于决定论:如果我们不确定未来是否是决定了的,那决定论是否正确还重要吗?

西部世界中有关决定论的台词

量子趣谈——上帝掷不掷骰子呢?