宇宙末日惊变?量子场论能否成为人类救赎之光

嘉慧浏览趣事 2024-11-14 21:00:35

你们有想过真正的世界末日是什么样吗?是洪水如猛兽般肆虐大地,还是地壳剧烈变动,撕裂山川湖海?真正的宇宙末日或许远超你我想象。

宇宙末日骇论

在宇宙末日之际,人类、地球、太阳系乃至银河系,所有天体都将在瞬间化为粉末。物理规则将被彻底改写,四种基本力也会消失不见,宇宙的基石被连根拔起。

最令人胆寒的是,这种末日的崩坏会从宇宙某一点以光速扩散。由于光速的限制,身处安全区的我们不会有任何察觉,没有预警,没有征兆,就在刹那间,一切都将解体,烟消云散。宇宙会进入全新的 2.0 版本,所有事物都要在全新的底层规则下重构,星球的形状或许不再是熟悉的球体,这才是宇宙末日的真正恐怖之处。

或许有人将此视作科幻小说的桥段,实际上此番推论都是科学家凭借严谨探究与推理所得出的真实论断。宇宙可能已经历多次这样的版本更新,科学家们甚至已洞悉上次更新的原理并通过实验证实。在最近一次更新中,宇宙增加了两种基本力,修复了物质无质量的漏洞,还诞生了原子。

量子力学教父薛定谔

量子理论演进

回溯原子结构研究之初,科学家发现电子不可能像行星绕恒星那样绕原子核旋转。鉴于旋转的电子会由电磁感应生成电磁波且释放能量,所以其最终能量枯竭,进而坠入原子核。那电子究竟是如何运动的呢?

1925 年,薛定谔在瑞士阿尔卑斯山,与一位女性友人探讨物理学时,灵感忽而涌现。当时人们已知光有波粒二象性,德布罗意也提出万物皆有波粒特性并给出波长计算公式。薛定谔由此假设电子是波,根据德布罗意公式得出电子动能势能表达式,再结合能量守恒得出方程,即薛定谔方程。但最初,薛定谔自己也不清楚其含义,其他科学家也倍感困惑。伯恩推测该方程可能表示粒子在不同地方出现的概率,意味着电子并非绕核旋转,而是在原子核周围有不同的出现概率。

量子物理:薛定谔方程

薛定谔方程虽推导过程简洁且极具创新性,但因未引入相对论内容,无法计算高速物体如光。因为在德布罗意方程中计算需涉及质量,而光无质量。于是,科学家引入狭义相对论,融合麦克斯韦电磁场理论中的场概念,量子场论就此产生。量子场论认为世界存在无处不在的场,场的震动产生粒子,这就解释了为何光可在任何空间存在,因为空间原本就有电磁场。

然而,薛定谔方程衍生的量子场方程存在问题。电磁场震动在实数轴和虚数轴上如蛇般扭动,因电场震动会产生磁场且相互转换所以有虚数轴。但虚数无确定方向,科学家只能假设其方向任意,这就是规范对称性。而最初的量子场方程不满足规范对称性,需确定虚轴方向,这显然不合理。在数学领域,可通过于方程中增添一项来解决,而此新增项恰好为光子的场方程。由此得出电子是电磁场激发的振动,光子是连接这些振动、比较不同地方电子波差别的方程,这一理论与实验观测完美契合,奠定了量子电动力学基础。

规范场论继而用于强力研究,夸克凭借胶子(强力的规范子)相互作用,由此,量子色动力学应运而生。科学家也曾尝试构建引力规范场论,但因引力涉及真实空间及时空转换问题太过复杂,最终发现广义相对论更适用。

弱力谜题破解

研究弱力期间,科学家发觉弱力规范子 W 和 Z 玻色子异于光子、胶子,它们具质量,且弱力无规范对称性,这跟规范场理论中对称波无质量相冲突。上世纪 60 年代,三位科学家发现将弱力和电磁力合二为一可看到更大对称性,只是这种对称性被破坏,即电弱相互作用理论。在宇宙早期,弱力和电磁力未分开时无光子,分开后粒子混合产生光子等。虽然实验证实了 WZ 玻色子有质量及电弱理论,但为何力的对称性会被破坏仍是未解之谜。

科学家猜测宇宙中存在一种新场,粒子质量与之相互作用产生。希格斯等人顺着此思路,引入新的规范对称场,当规范对称的电弱力与之相互作用,电弱力分开,弱力粒子获得质量。如西格玛场呈对称帽子型,粒子本在中心对称,但中心能量非最低,粒子滑向旁边导致不对称,即自发性对称性破缺。由此,规范场论孕育出希格斯机制,解释了对称性破坏的粒子有质量,对称粒子如光子无质量,解答了宇宙质量产生的难题。

2012 年希格斯玻色子被发现,次年获诺奖,有力反驳了理论物理停滞的观点。希格斯机制还预测,当空间能量足够高,希格斯场失效,电磁力和弱力合并,弱力规范子将如光般无质量且可无限传递。宇宙大爆炸后的极短瞬间曾有此情形,当时所有粒子对称无质量,随着温度降低,希格斯机制介入,弱力和电磁力分开,物质对称性破坏,质量出现,宇宙进入新阶段。科学家据此推测宇宙可能还经历过强力与电弱力分开、引力与其他力分开的阶段,形成大统一理论和万有理论,但目前人类还无法将强力和引力统一。

希格斯玻色子

还有假说认为可通过计算希格斯场势能预测宇宙下次版本更新时间。不幸的是,目前计算结果处于临界点,宇宙可能随时更新,且因更新速度为光速,我们无法提前知晓,甚至无法确定真空衰变是否已开始,毁灭或许就在一念之间。这正如哲学家引用诗人基德所说:“在已知世界全部毁灭前,我什么都不知道。” 在宇宙终极命运面前,人类的哲学思考都显得苍白无力,一切努力仿佛都在瞬间被抹去意义。但无论如何,对宇宙奥秘的探索仍将继续,哪怕只是在这无尽黑暗中短暂闪烁的微光。

本文来源@吟游诗人基德 的视频内容

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