爱因斯坦:对称性与物理学的未来

作者: K·C· Cole

来源: https://www.quantamagazine.org/einstein-symmetry-and-the-future-of-physics-20190626/

发布日期: 2019-07-09 12:10:58

本文探讨了爱因斯坦的百年洞见及其对称性理论在现代物理学中的影响,揭示了这些理论如何推动前沿研究,并提出了关于空间、时间、信息等基本问题。同时,文章也指出了对称性理论在解释某些物理现象时的局限性,并讨论了未来物理学可能的发展方向。

爱因斯坦的百年洞见所结出的耀眼果实如今已深深嵌入大众的想象之中:黑洞、时空扭曲和虫洞经常作为情节点出现在电影、书籍和电视节目中。与此同时,它们推动了前沿研究,帮助物理学家提出许多有关空间、时间甚至信息本身的问题。

讽刺的是,爱因斯坦的遗产中最具革命性的部分却很少受到关注。它没有引力波的轰动,没有黑洞的吸引力,甚至没有夸克的魅力。但隐藏在所有这些奇异现象背后的是一个看似简单的想法,它拉动科学的杠杆,显示出各个部分是如何组合在一起的,并照亮前方的道路。

这个想法是这样的:某些改变不会改变任何事情。大自然的最基本的部分是保持不变的,即使它们似乎在以意想不到的方式改变后呈现在我们眼前。例如,爱因斯坦1905年发表的相对论论文得出了一个不容置疑的结论,即能量和质量之间的关系是不变的,尽管能量和质量本身可以有截然不同的形式。太阳能抵达地球,以绿叶的形式大量存在,创造出我们可以吃的食物,并作为思考的燃料。

爱因斯坦花了好几年的时间才认识到,空间和时间是交织在一起的一个时空结构,不可分割。统一时空是一个很难理解的概念。但是,如果我们思考一下“速度”的真正含义,它就开始变得有意义了。光速和任何速度一样,都是一种关系——随着时间的推移而移动的距离。但是光速是特殊的,因为它不能改变;你的激光束不会因为从一个高速运行的卫星上发射而前进得更快。

因此,对距离和时间的测量必须根据一个人的运动状态而改变,从而导致所谓的“空间收缩”和“时间膨胀”效应。

爱因斯坦最早提出的狭义相对论是“特殊的”,因为它只适用于时空中稳定不变的运动——而不是像物体向地面下落那样的加速运动。令爱因斯坦烦恼的是,他的理论没有包括引力,而他努力将引力纳入其中,使得对称性成为他思想的核心。具体来说,爱因斯坦对一种没有什么影响的变化或者说一种没有意义的对称感到困惑。

把一团揉皱的纸和一串沉重的钥匙并排扔到地上,看到它们以某种方式、几乎是奇迹般地同时着地,仍然令人震惊——正如伽利略从比萨斜塔上扔下轻球和重球所证明的那样。

爱因斯坦在一次著名的思想实验中获得了关键的灵感。他想象一个人从楼上掉下来。这个人会像宇航员一样快乐地漂浮在太空中,直到地面挡住了他的去路。当爱因斯坦意识到自由下落的人会感到失重时,他把这一发现描述为他一生中最快乐的想法。他花了一段时间才确定广义相对论的数学细节,但当他证明引力是时空本身的曲率时,引力之谜就解开了。

最大的问题是,现在所理解的对称性似乎无法回答物理学中一些最大的问题。的确,对称性告诉物理学家去哪里寻找希格斯玻色子和引力波——这是过去十年的两个重大发现。同时,基于对称性推理预测的一系列事情还没有在实验中被证实,包括“超对称”粒子,该粒子可以作为宇宙的暗物质,并且可以解释为什么引力与电磁力以及其他力相比为什么会这么弱。

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