虎嗅 10月21日 13:40
物理学降维打击:从宇宙最高理论到人类理解的层层递进
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本文深入探讨了物理学中“降维打击”的理论框架,从宇宙最高维度的M理论出发,逐层退化至人类可理解的经典理论。文章详细解析了M理论如何退化为弦论,弦论如何通过紧致化高维空间简化为广义相对论,以及广义相对论在不同极限下如何进一步退化为狭义相对论和牛顿力学。同时,文章也阐述了量子场论的降维路径,包括其如何退化为量子电动力学和麦克斯韦方程。文中还着重讨论了杨-米尔斯理论的发展历程及其在量子场论中的重要地位,并提及了构建其量子化数学基础的挑战,以及数学能力与物理直觉对科学家成就的影响。

✨ **理论层层递进的降维过程**:文章描绘了物理学理论从高维度向低维度退化的过程,以M理论为起点,逐步过渡到弦论、广义相对论、狭义相对论,直至牛顿力学,揭示了不同理论之间的内在联系和演化关系,使得复杂的物理概念得以结构化呈现。

⚛️ **量子场论的演化与挑战**:文章阐述了量子场论的降维路径,包括其如何退化为量子电动力学和麦克斯韦方程,并重点介绍了杨-米尔斯理论的曲折发展历程。特别指出,尽管杨-米尔斯理论至关重要,但其量子化数学基础至今仍未完全建立,并被列为千禧年难题之一,体现了理论物理研究的前沿挑战。

🧠 **数学能力与物理直觉的权衡**:通过对比爱因斯坦、希尔伯特和牛顿等科学家的成就,文章探讨了数学能力和物理直觉在科学发现中的作用。指出爱因斯坦虽非顶尖数学家,但凭借敏锐的物理直觉取得巨大成就,而数学大师希尔伯特却可能因其研究方向的超前性未能获得同等程度的大众认可,引发了对科学贡献评价的思考。

物理学的降维打击链,是从宇宙最高维的理论一路退化。

它每退化一步,越接近人类的观察和对世界的理解。

但可悲的是,即使退化到最下面一层的经典理论,也有99%的人并不能真正懂。

这注定了大多数人是“愚蠢”的,那你是不是那1%呢?

第1层:M理论 

维度:11维

降维:膜是多条弦凝聚而成,把它卷成圈或压成线或用其它投影这一维的方法,它会退化成弦论。

第2层: 弦论

维度: 10维 

降维: 10维=3D空间+1D时间+6D卡拉比–丘流形。

实数6D其实是复数的3D,是凡夫俗子看不到的微观高能世界,其几何性质决定了我们宇宙的基本粒子种类和物理常数,每个不同的卡拉比–丘流形对应一种不同的宇宙。

这次降维忽略掉这紧致化的6D,剩下我们熟悉的4D低能世界。

第3层:广义相对论

维度:4维

降维:弦论在低能极限下,退化成广义相对论。弦论中的闭弦振动模式恰好对应引力子。这保证了广义相对论的时空曲率可以从弦的量子振动自然导出。

广义相对论在时空平坦和无引力时,退化成狭义相对论。

第3.5层:狭义相对论

维度:4维

狭义相对论在物体远低于光速时,退化成牛顿力学。

第4层:牛顿力学

维度:3+1维

你真的懂牛顿力学吗?

第2层弦论降维后,低能极限下看到的是连绵的表面,在高能极限下看到的则是一堆跳舞的弦。

弦长逼近0,从振动退化成点粒子,引出了第三层的其它候选人之一:量子场论。

第3层:量子场论

维度:4维

通常认为量子场论由量子杨-米尔斯理论+希格斯机制+费米子场理论组成。

在一定条件下,量子场论退化成量子电动力学。

第3.5层:量子电动力学,1954版杨-米尔斯理论

维度:4维

在低能和非相对论极限情况下,量子电动力学退化成麦克斯韦方程。本身就是麦克斯韦扩展出的杨-米尔斯理论当然也能退化成麦克斯韦方程。

第4层:麦克斯韦方程

维度:3+1维

众所周知,杨-米尔斯理论中的杨指杨振宁。

对比上面两个降维路径,我们当然认为杨老绝对应该是可比肩爱因斯坦宗师级的人物,但是…

可惜……

最早的1954年版杨-米尔斯理论预测传递力的粒子质量为0,但二十年前汤川秀树就证明介子质量不是零,所以杨-米理论被一杆子打入冷宫。关键是杨老自己也解释不了为什么,虽然从数学上看这些偏微分方程是美妙的。

如何将经典杨-米尔斯理论应用到量子场论,是个极其复杂的数学过程。在1970年代上半叶,科学家们终于发明了一系列高深的数学工具,他们开始相信杨-米尔斯理论的正确性,并建立了夸克模型和预言了胶子的存在,这替代了汤川那宏观层面的介子。到1979年无质量的胶子被对撞机发现,杨-米尔斯理论彻底“复活”并戴上皇冠。

但是,老版本的杨-米尔斯理论描述的是一个“经典”宇宙中的场--平滑、连续、确定性的。把经典场公式量子化,在数学上极为困难。复活该理论的物理学家创造了一些黑魔法工具来实现其在量子尺度的可计算性,但是这都建立在未被证明的数学结构上。

到今天为止,构建量子化杨-米尔斯的数学基础仍不成功,它是被克莱研究所悬赏百万美金的千禧年难题中号称最难的一个。

从类似角度看,我个人觉得同样可惜的是希尔伯特。希尔伯特以一己之力做出完整广义相对论的数学解和量子力学的数学基础。虽然他在数学界是绝对的宗师中的宗师,但在大众眼里根本不知道他是谁。

正相反,数学不算优秀的爱因斯坦,依靠敏锐的物理直觉和洞察力,在数学上采取拿来主义,抢先于庞加莱和希尔伯特摘了大桃子。也许,数学水平的限制也是他后半生致力于大一统理论失败的主要原因之一。

对比牛顿爵爷自己发明数学工具自己提出物理体系,我现在觉得爱因斯坦只能排在后面。

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