量子空间

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作者:[英] 吉姆·巴戈特

出版社:中信出版社

出版时间:2019年10月

ISBN:9787521710540

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编辑推荐

没有数学公式的硬核科普、生动鲜活的科学家形象、伟大又令人激动的探索和友谊、扎实的采访和流畅易读的写作。

 

 

内容推荐

这既是一本关于圈量子引力的科普读物。对于不熟悉这个名词的大众来说,这是一本从另一个角度为我们讲述的“万物理论”。

 

人类一直追求万物起源这一问题,希望了解万物是从哪儿来的,基本规律是什么。直到,这个问题都还是物理学的根本,也是物理学的基础问题。

 

时至,在很多人的印象中,人类已经回答了这个问题。我们有基本粒子的“标准模型”,有牛顿的万有引力理论,还有爱因斯坦的广义相对论,这些已经把我们的世界解释得清清楚楚,很让人满意了。但实际上不是这样的。在标准模型提出40年后的,没有一个物理学家认为标准模型是基本理论,大家都认为它只是一个近似的有效理论。

 

圈量子理论是除了弦论之外万物理论的另一个候选,相对小众,在学界受到的关注不及弦论,在大众层面更是较少为人所知,实际上有些非常有趣的理论,值得向公众介绍。

 

作者吉姆·巴戈特称之为“少有人走的路”,在本书中,他介绍了圈量子引力理论领域中两位杰出的科学家——李·斯莫林(LeeSmolin)和卡洛·罗韦利(CarloRovelli)的职业生涯和开创性工作。这是一本关于物理学理论前言的普及读物,更是一场普通人推翻既定印象,领略对世界的另一种可能的解释的探索之旅。

 

在这本书中,物质、时间、空间都有了全新的理解可能。而认识的过程,就是科学探索的意义,是我们探索世界的趣味所在。

 

作者从事科普写作已有二十多年,文笔和叙述都尽量做到科普化,注重对科学知识做出平易近人的解释,同时为写作加入故事性,保证了本书的可读性。

量子空间

吉姆·巴戈特Jim Baggott,英国科学史作家。牛津大学化学物理学博士。著作有《希格斯:上帝粒子的提出与发现》《量子往事》等。常有作品刊登于《新科学人》《自然》等重要科学刊物。

让我们直奔主题吧:这是一本关于圈量子引力(loop quantum gravity)的书。圈量子引力是当代物理学家尝试发展量子引力理论的方法之一,它触及我们对空间、时间以及物理宇宙的了解的极限。有人希望前沿科学总能写成科普书籍供大众读者消遣,但我要先声明一件事:圈量子引力同所有其他量子引力理论一样,没有得到任何观测或实验证据的支持。

 

你可能会问我,那你凭什么觉得读者会对这样的理论感兴趣呢?

 

理由如下。毋庸置疑,在21世纪的开头几十年,我们面临着很多巨大的经济、政治与环境难题,有些还极其顽固,难以处理。但在我们理解时间与空间的本质、理解物理实在的内部构造方面,量子引力理论是我们这个时代的科学难题。

 

它讨论的是关于存在本质的“大问题”。解决这个问题不仅需要深厚的科学知识,也需要洞察力与灵感出现的独特瞬间,还需要整个物理学史上的人物都无法的智力创造性。

 

原因很简单。如今,我们很幸运,我们拥有两大极其成功的物理学理论。个是阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论,它描述了弯曲时空中物质的大尺度行为,告诉我们引力的工作机制:物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何移动。这一理论是如今大爆炸宇宙学标准模型的基础,我们用它描述宇宙的演化:从初的“开端”(根据如今的证据,大概在138亿年前)到。支持该理论的证据有很多,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)以及意大利的室女座引力波天文台(Virgo)探测到的引力波,只是众多证据中近的一项。

 

第二个极其成功的理论就是量子力学。量子力学描述了小尺度——分子、原子、亚原子、亚核粒子尺度的物质与辐射的性质和行为。在量子场论的外衣之下,量子力学的基础是粒子物理标准模型。整个宇宙中可见的组成部分(包括恒星、行星以及我们自身)都是由基础模型中的夸克、电子,以及传递力的光子等粒子结合在一起组成的。标准模型也告诉我们大自然的其他三种力——电磁力、强相互作用力和弱相互作用力是如何作用的。位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)发现了希格斯玻色子,这是支持量子力学的众多证据中近的一项。

 

然而,尽管这两个理论都是极为成功的伟大的智力创造,这两个标准模型也充满了漏洞。有很多现象不能用这两个理论解释,也有很多问题是它们无法回答的。它们的成功似乎只带来了一个结果,就是让我们的宇宙变得更为神秘难解,甚至完全匪夷所思。似乎我们了解得越多,理解得就越少。

 

这两个理论在根本上是不相容的。在艾萨克·牛顿的经典力学中,物质的存在与事情的发生都在一个空间与时间的“容器”中,这个“容器”作为背景而存在。如果我们把牛顿宇宙中的事物都拿掉,理论上还应该留下一个空的容器。广义相对论则把这个容器拿掉了:在爱因斯坦的宇宙中,空间和时间是相对的,不是的,而理论则是“背景无关”的。时空是动态的,它之所以存在,是因为它是物质与能量之间物理相互作用的结果。

 

量子力学虽然有些地方看起来极为奇怪,但其至今提出的预言都已被验证。它的表述方式不同于广义相对论:与物质和辐射的基本粒子相关的相互作用,都被假设发生在一个时空的容器之中——正是广义相对论所消灭的那个容器。也就是说,量子力学是背景相关的。

 

总结一下,我们有一个背景无关的经典(非量子)的时空理论,又有一个背景相关的关于物质和辐射的量子理论。我们成功的两大物理学理论建立于不相容的时空观上,它们有着不同的结构:广义相对论的时空是在物理学定律的基础上与之共同产生的,而量子力学的时空则是事先预设的、的。

 

虽然有这么两套互不相容的描述,但据我们所知(以及所能证明),我们的宇宙只有一个。广义相对论和量子理论的不相容性之所以是个问题,就是因为我们相信宇宙在诞生初期(大爆炸之时)处于量子尺度,自然应该能被量子力学解释。也许你觉得我们无法解释宇宙的起源以及其极早期的状态也没什么,但鉴于物理学在近百年里取得了如此辉煌的成就,我们理当对它有更高的期望。我们需要一个量子引力理论。

 

看到这里,你开始感兴趣了吗?