宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底

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新研究证实霍金预言:黑洞最终蒸发殆尽

黑洞产生的辐射非常微弱,无法在太空中探测到,但物理学家找到了非常富有创造性的方式,可以在实验室测量黑洞辐射。根据霍金提出的理论,这种辐射最终抽走足够的能量,让黑洞不断丧失质量,直至彻底消失。科学家普遍认为这一理论是正确的

  1925年的一天,爱因斯坦与年轻学生埃丝特·沙拉曼一起散步。他说:“我想知道天主若何缔造了这个天下。我对这种或者那种征象,光谱或者元素并不感兴趣。我只想知道天主的想法,其它的只是细节。”领会天主的想法是现代物理学的最终目的,意味着科学家能够展现大自然的规则,建立所谓的“万有理论”。万有理论能够解答所有疑问。不外,建立这一理论可能需要数百年,甚至数千年的不懈努力。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   物理学巨匠爱因斯坦   作为物理学巨匠,爱因斯坦一心希望领会“天主的想法”。领会天主的想法意味着我们能够洞察大自然的规则,或者说建立物理学家所说的“万有理论”。天空为什么是蓝的?为何存在引力?万有理论能够用一个单一理论解答所有疑问。不外,建立这一理论的梦想可能需要数百年,甚至数千年才气照进现实。   已知的两大理论——爱因斯坦的广义相对论和尺度模子——结合起来都能很好地形貌我们周遭的天下,但它们距万有理论仍有数光年的距离。广义相对论形貌大规模的恒星、星系和宇宙的行为。他以为引力是时空结构的扭曲。广义相对论已多次获得验证,最着名的一次验证是2016年发现引力波。尺度模子形貌亚原子天下。在朝着万有理论前进的道路上,研究尺度模子的科学家取得了最引人注目的提高。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   若是能建立所谓的“万有理论”,我们就能解答宇宙的所有疑问   我们知道万物由原子组成,原子由质子、中子和电子组成。上世纪60年代,科学家发现质子和中子由更小的粒子——夸克——组成,电子则是轻子家族一员。发现物质的最小构件只是建立万有理论的第一步,第二步是领会掌控各构件若何交互的种种力。   科学家知道存在四种基本力,在亚原子层面,科学家对其中三种力——电磁力、强核力和弱核力——有着很深的熟悉。电磁力将原子群集在一起,同时对化学历程“卖力”。强核力将原子核约束在一起,同时让夸克滞留在质子和中子。弱核力对某些类型的核衰变“卖力”。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   尺度模子图解   每个已知的亚原子力都有一个与之相关的粒子或者携带这种力的粒子。胶子带有强核力,光子掌管电磁力,W和Z玻色子控制弱核力。诡秘莫测的希格斯场弥漫整个宇宙,赋予夸克、轻子和一些带力粒子质量。这些构件和力组成了尺度模子。   行使夸克、轻子和已知携带力的粒子,我们可以构建原子、分子、人类、行星以及宇宙内的其它所有已知事物。尺度模子是一项特殊成就,有些万有理论的形了,但依旧不是真正的万有理论。万有理论的目的是找到一个能够注释宇宙物质和流动的单一构件和单一力。尺度模子涵盖12种粒子(6种夸克和6种轻子)和4种力(电磁力、引力、强核力和弱核力)。不外,现在还没有已知的量子引力理论。换句话说,引力还不是当前的尺度模子的一部分。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   凭据所谓的超弦理论,最小的物质构件并不是粒子,而是细小的震荡弦   物理学家继续探寻一项更基本的理论。为了做到这一点,他们需要削减构件和力的数目。找到一个更小的构件将面临伟大挑战,由于这需要一个超出人类当前能力局限的超强大粒子加速器。造出这种可运作的新加速器需要几十年时间,而且它只能在现有基础上逐渐升级提速。为此,科学家必须展望更小构件的可能状态。有一个很盛行的观点叫做超弦理论,

广义相对论的百年历史:没有他们的实践爱因斯坦的传奇不会诞生!

1919年5月29日,阿尔伯特爱因斯坦于1915年建立的广义相对论得到了极大的验证。到1905年,爱因斯坦将自己与有限的相对论区分开来,这种相对论推测了真空中光速的不变性,总是等于c = 299 792 458 m / s。受限制的相对性涉及两个参考点之间相对于彼此均匀平移的变换。

凭据超弦理论,最小的构件并不是粒子,而是细小的震荡弦。就像大提琴的琴弦能够演奏出差别音符一样,差别的震荡模式对应差别的夸克和轻子。在这种方式下,一个单一类型的弦就是最终构件。   问题是,并没有任何实验性证据证实超弦的存在。观测到超弦所需的能量被称之为“普朗克能量”,是我们当前能够发生的能量的一千万亿倍。普朗克能量对应所谓的普朗克长度,即最小的不可分割单元,超出了量子效应的局限。我们尚无法丈量超出这一局限的更小长度。一旦小于普朗克长度或者超出普朗克能量,光子间引力的量子效应将变得非常重要,相对论不再起作用。在可预见的未来,超弦理论仍只是一种推测。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   万有理论能够注释所有已知征象。我们还没有建立这一理论,但我们在尺度模子(黄色)中统一了量子天下的行为,对引力(粉色)也有很深的认知。未来,我们将构想一系列新的统一(绿色)。蓝色为我们尚无法明白的问题,需要建立新的理论。此外,我们并不确定,在朝着更高能量级别进发时,我们是否会发现其它征象   过多的力也是一个问题。科学家希望“统一”种种力,证实它们只是一个单一力的差别表现形式。牛顿证实让物体坠落地面的力与掌管天体运动的力是一样的。麦克斯韦证实电和磁是电磁力的差别行为表现。上世纪60年代,科学家证实弱核力和电磁力实际上是电弱力的两个差别面。研究人员希望将电弱力和强核力统一为所谓的“大统一力”。在此之后,大统一力再与引力统一,进而建立万有理论。   物理学家嫌疑最终的统一可能仍要在普朗克能量层面,由于在这种能量水平,我们无法再像相对论一样忽视量子效应。普朗克能量要远远跨越粒子加速器近期内所能到达的能量水平。
宇宙通行证,万有理论:生命、宇宙以及任何事情的最终谜底   历史上,科学家多次证实看似不相关的征象若何源自于一个单一力。我们以为这个历程将继续下去,最终建立万有理论   现有理论与万有理论相差十万八千里。打个譬喻,若是我们能够探测到的粒子能量用细胞膜的宽度取代,普朗克能量则相当于地球的直径。可以想象,一个彻底洞察细胞膜的人或许能够展望细胞内的其它结构,例如DNA和线粒体,但我们无法想象一个人能够展望地球上的流动,例如火山、海洋或者磁场。   粒子加速器当前可到达的能量水平与普朗克能量之间存在一条伟大的鸿沟。换句话说,我们几乎不可能在现在建立万有理论。但这并不意味着物理学家应该退休回家,仍有许多有意义的事情守候他们去完成。他们仍需研究一系列尚无法给出注释的征象,例如在宇宙中比重到达95%的暗物质和暗能量,尔后行使这些新知识建立一项更全面的物理学理论。这个理论并非万有理论,但仍远远优于当前的理论框架。他们需要重复这个历程,直至让万有理论的梦想照进现实。

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