量子力学的发展就更加复杂了,因为这里缺少一个像爱因斯坦那样的人物其贡献凌驾于所有其他人之上。相反,这是一个迷人的多种多样的群体,包括马克思·普朗克( Max Planck)、爱因斯坦、欧内斯特·卢瑟福( Ermest Rutherford)、尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、路易斯·德·布罗意(Louis de Broglie)、维尔纳·海森堡( WermerHeisenberg)、埃尔文·薛定谔( Erwin Schradinger)、保罗·狄拉克(Paul Dirac)、沃尔夫·.泡利( Wolfgang Pauli)、帕斯卡尔,约旦( Pascual Jordan)和约翰·冯·诺依曼( John vonNeumann),他们都作出了至关重要的贡献一而且特别有趣的是他们的意见往往并不致。
这些名字一读起来就特别牛批,连吹逼都不需要。
实验物理学家要找的是一个罕见事件,一次可以产生一个极重,不稳定粒子的对撞。一个尚在猜测中的粒子称为希格斯玻色子( Higgs boson ),它被认为是电子质量的来源。
有一个著名的公式:
E=mc2
这个公式构成了核能和原子弹的基础。这意味着如果你把一磅重的物质完全转换为能量,你就能为一百万美国家庭提供一年照明。E=mc2也为弦论中的很多内容提供了基础。
不着急说这个牛批的公式,我们先回忆一下初中物理知识。
长度,公制单位:米。
时间,被物理学家认为是额外维度。
空间的三维,和时间的一维。但我们知道,时间和空间是不同的,空间可以任意运动,但不能在时间上往回走。
时间没那么简单。如果你的朋友站着,而你沿着一个圆形跑道非常快速地跑,你所经历的时间就没有你朋友经历的那么快。如果你和你的朋友都带着计时秒表,你的表会比你朋友的表走的慢。这种效应,称为时间膨胀,但这是很难觉察到的,除非你跑的速度非常快,快到可以和光速比拟。
这里先简单说下,再说一下质量。
我们习惯于把质量等同于重量,但这是不符合我们人类定义的科学体系的。我们学过,质量是物质多少的量度。
说说速度。速度是长度和时间的换算因子。下面是吹时间膨胀效应在10m/s的速率下很微弱的屁话。
光年。光在真空中一年行进的距离。约1.3×102?米。
再说回E=mc2。
它可以把质量和能量互相换算。但啥是能量?
能量有很多形式。运动是能量,电是能量,热是能量,光也是能量。能量可以互相转换。但总能量守恒。为了使能量守恒有意义,我们对各种能量进行量度。
动能,K=?mv2,K动能,m质量,v速度。
假设你60kg,跑步速度10m/s,那么跑步时动能大概是3000焦。狗屎老焦的焦。
看一下E=mc2,你单是站着不动相对静止,60*3*3*101?就远大于3000了。
是的,E=mc2说的是“静能量”。当你跑的时候会把一部分静能量转换为动能。很小一部分,大约1/101?,另外一提,和跑步的时间膨胀数字一样。
这并非巧合,而是有基情在其中。
狭义相对论有个精确关系可以把时间膨胀因子和动能联系起来。
这意味着,假设你运动的够快使你的能量加倍,那么你将获得双倍寿命,也就是时间比不运动慢一半。
这么多静能量用不了在物理学家眼中是很浪费的,于是它们折腾了核能。
嘣嘣嘣!
爽多了。
简单讲一下一个核裂变的栗子。
铀235和一个中子撞击,产生氪、钡、三个中子和一些能量。
反应式左边质量略大于右边,不过两边核子数目相同。
那为什么质量不同呢?
这里不能用核子总数计算质量了,这里要说,氪星人和钡星人的核子束缚的更紧密,意味着更小的质量(作为一个外星人这里我老焦不太明白,为什么更紧密质量就更小),不过氪星人和钡星人的确更加稳定,相对于铀大佬,我们知道,能量越低约稳定嘛!
现在我们烧钱的实验物理学家偏好用金子做实验,不是因为它们值钱,只是因为金子的确很牛批。
当两个金原子核以接近光速相互碰撞,它们完全被摧毁了。几乎所有原子核都相互裂开,砰砰砰!漂亮!
这里先不细说,先说它们是稠密炙热的物质态。美妙!
我们来看一下E=mc2在我们知识体系中的位置。
E=mc2是狭义相对论的一部分,狭义相对论研究运动如何影响对时间和空间的测量。
狭义相对论又是广义相对论的特殊情况。广义相对论包括对引力和弯曲时空的研究。
弦论覆盖广义相对论和量子力学。弦论中包含了E=mc2。弦、膜、黑洞都遵循这个关系。说E=mc2遵循弦论不太准确,但它符合,并且看起来和弦论的其他数学框架相处的不错。
我们下次《弦理论》再聊。
参考文献:
(美)斯蒂文·斯科特·古布(Steven S. Gubser)著,季燕江译.弦理论.重庆:重庆大学出版社 2015