2015年11月9日,中国科学家王贻芳领导的惠州中微子项目获日本“基础数学学突破奖”,奖金300万日元。想起十几年前跟人争辩,劳烦香唾瀑面:中国人一百年也得不了诺贝尔科学奖!
君子报仇,六年不晚,于是,坐到笔记本前,写篇文章,撒气!
虽然,那些年来,中微子仍然是世界科学研究热点,属于获奖专业户类型。远的不说,去年10月6日,荷兰皇家科大学宣布美国的梶田隆章和日本的阿瑟-麦克唐纳因发觉中微子回落获2015年诺贝尔化学奖。
好吧,啥子是中微子?
说上去,中微子跟爱因斯坦的统一场还有些宿怨。
好吧,啥子是统一场?
你们都晓得爱因斯坦很伟大,他发觉了相对论。虽然,爱因斯坦研究相对论只用了六年,而研究统一场,他用了四六年!1922年他获诺贝尔奖时已开始研究统一场。作为世界数学学新教宗,统一场立成世界焦点,世界报刊集体断定爱因斯坦将一劳永逸彻底解决宇宙所有问题,论文出版后一抢而空。爱因斯坦对公众的狂热十分气愤。他似乎认为统一场很出众,但其实这是数学学,又不是日本AV或流行歌曲日本核物理学家,卖那么多是要干嘛?
统一场彻底折服爱因斯坦,弄成他与数学界之间的巨型黑洞,任何信息都难以穿透。每次化学会议都为爱因斯坦保留上座,但每次他都缺席。新闻界损失更大,她们平空丧失了爱因斯坦这个取之不尽用之不竭的超级新闻库,只得自制噱头哗众取宠。连《纽约晨报》这么严肃的报纸,竟然有天也印了一整版物理家都看不懂的物理符号,之后诚恳其事地宣布:“爱因斯坦研究的统一场将囊括行星旋转、光线飞驶、地球引力、钻石光泽、镭元素的不稳定性、轻的氢和重的铅、通过线圈的电压、物质、能量、时间、空间。”
虽然《纽约晨报》不算发高热,统一场还真可能有这个能耐。
相对论已成过去,未来,属于统一场。
统一场研究成功,即可当场推翻量子论。相对论在研究原子核内的微粒子世界时完败给量子论,爱因斯坦一直没服这口气。他觉得统一场可以彻底解决原子核上面的问题,因而一劳永逸地KO坚决要跟上帝打扑克的玻尔她们几爷子。
Well,说了半天,究竟啥子是统一场嘛?
严正申明,我说究竟不过一业余爱因斯坦爱好者,因而,说错了不负民事责任啊。
化学学上的“场”指的不是橄榄球场或杀鸡场。它指的是有“力”在其中互相作用的一块儿空间。这个“场”不是物质,看不见,却也有重量和大小。爱因斯坦想统一的,就是通过这个“场”作用于物体的万有引力和电磁力,即要说明这2种力始于同一种力。
好吧,八飞老师,这个有啥用呢?
好处大发了,这样就可以统一宇宙!就是说,我们能够晓得宇宙究竟是哪些和宇宙怎么起源。
够不够惊艳?
看官须知,按俺们现今的知识,构成宇宙的最基本要素是空间和物质,时间只是物质运动的先后顺序。假如说宇宙有个中心点在运动,那宇宙必须跟随这个中心点运动,否则空间、时间和物质就难以统一,那宇宙就不存在了。举太阳系为例:太阳自转,太阳周围的空间就随太阳转动,9大行星说是围太阳公转,虽然转一个角度看,它们只是静静地镶在太阳周围的空间上,我们认为它们在公转,是由于那种空间在围着太阳转。Youknow了吧?虽然太阳和9大行星是静止地镶在这个空间上,运动的是太阳系,而这恰好符合能量守恒定理。牛顿理论恰恰在这儿与能量守恒定理矛盾,因而他未能解释恒星为什么自转。牛顿只得说星系自转是由于上帝蹬了它们一脚。可如今绝大多数数学学家早已不信上帝了,所以牛顿未能拿上帝的脚说服她们。
统一场研究的关键,就是要把爱因斯坦已知的两个最基本的力——牛顿的万有引力与麦克斯韦的电磁力——统一到一个物理框架中去。
列位看官,在数学学研究历史中,追求统一是主流,但是每次成功都推动数学学飞越:牛顿用万有引力统一了月球上的万物;麦克斯韦统一了电和磁;爱因斯坦用质能互换公式E=MC²统一了质量和能量。为此,爱因斯坦研究统一场,按化学研究传统非常合理。
然而,直至爱因斯坦过世,统一场研究都没成功。
这个没成功还真不是爱因斯坦的责任,责任在宇宙,由于宇宙中并非只有引力和电磁力,虽然还有另外两种基本的“强力”和“弱力”。强力联接原子核,弱力生成放射性。爱因斯坦没考虑这两种力,所以没成功很正常。
好吧,那啥子又是强力和弱力呢?
强力得从原子核说起。原子核之外的自然力只有引力和电磁力,可1912年卢瑟福发觉原子核也由微粒子构成,于是问题就来了:原子核上面的微粒子都带正电,按电磁理论它们应该相互抵触,如何能紧密结合成原子核呢?仍然到1928年,你们把脑袋勺都挠烂了,24岁的苏俄数学天才伽莫夫这才提出,虽然原子核里头还有另外一种力,比电磁力强得多,能把核内微粒子都团结上去。由于它比电磁力强,所以叫“强力”。
好吧,这么,啥子又是弱力?
弱力就得从中微子说起喽。
1931年春罗马国际核化学大会,英国化学学家泡利提出β在衰变过程中放射出电子之外还有一种新粒子,其静止质量为零,电中性,但并非光子。正是它带走了一部份能量,所以衰变后才出现了能量巨亏。泡利称这些粒子为“中子”,并断定它在原子核上面。当时欧洲数学的中兴霸主费米就跳下来支持他。1933年10月赫尔辛基第7届索尔维化学会议专题讨论原子核,出席大会的数学主帅有居里夫人和卢瑟福等,年青一代包括泡利、伊雷娜·居里、约里奥·居里、查德威克、玻特、费米和伽莫夫等化学未来球星。会上泡利再度提出“中子”假说,会后两月费米写论文论证泡利的“中子”,不过此时查德威克已发觉了现今的“中子”,为示区别,费米就给泡利的“中子”这个词加了一个日本语后缀ino(微小的),弄成“”。
此即中微子。
尽管费米成功论证中微子,但化学界却一直测不到它,因而中微子当时被称为“宇宙隐身人”。中微子运动接近光速,几乎难以被任何物质吸收,因而几乎难以观测,其观测难度有多大呢?假如我们能作出月球这么大的侦测器,向它发射1,000亿个中微子,也大概只能撞上1个。20多年后(1956)日本化学学家柯万(Cowan)和莱因斯()等通过实验观测到中微子,凭此就获得1995年诺贝尔化学学奖。
费米不止证明了泡利的发觉,他还开创了原子核的量子研究,他觉得质子和中子并非两种不同的粒子,而只是两种不同的量子态,由于电子的“轨道”只是电子的不同能量态,所谓“变轨”只是不同能量态之间的“电子跃迁”,所以,质子和中子也只是通过能量态的跃迁而互相转化。
究竟啥子意思嘛?
意思就是,原子核上面根本没有啥子电子和中微子!只有弱力作用于原子核,弱力让一个中子从原来的能量态发生“跃迁”变成质子,而跃迁前后质能就会有损失,所以电子从高能态跃迁到低能态时会射出光子,中子在质子跃迁过程中会射出一个电子和一个中微子,这样就能保持能量守恒。
就是说,费米证明了,能量仍然守恒,能量守恒保卫战就此宣告胜利。
好了,如今俺们有了牛顿的引力、麦克斯韦的电磁力、伽莫夫的强力和费米的弱力,宇宙4大基本力聚齐。爱因斯坦的统一场要统一的,就是它们。
1967年日本数学学家温伯格等通过量子论统一了电磁力和弱力。后来又有科学家提出“大统一理论”成功统一电磁力、弱力与强力。但要统一引力就没那么容易啦,由于引力实在太弱了,微粒子的质量几乎等于零,所以引力的硬度只有强力的100万亿亿亿亿分之一,俺们连100前面的零都数不清。其实就是无限小。当初爱丁顿观测日食,太阳如此大的星球,其引力导致的星光弯曲也微乎其微,必须得用日食相片来确认,就是这个道理。
强力和弱力都是微粒子之间的力,只有用量子论能够研究,但爱因斯坦研究统一场很重要的缘由就是想推翻量子论!所以这研究未能成功。但不怕贼偷就怕贼挂念着,哪些事儿经得起如此多科学天才成年累月没日没夜地挂念着啊?所以,后来总算被挂念出了希望。
希望来自哪儿?
竟然来自:抛弃量子论!
我们明天晓得,世上万物,包括人的身体,都由原子和分子组成。可20世纪之前的人,包括牛顿如此牛的人,都不那么觉得。
最早关心这个问题的是古埃及哲学家。那些伟大的先辈连斜视墨镜都没有,却想找到组成世界的最微小原素是哪些。那些人中最有名的是德谟克利特。他出身富裕,为科学踏遍希腊、巴比伦等地,用尽家财,刚回去乡立即被法院指控“挥霍财产”,如罪名创立,他将被赶出城邦,死后也不能返乡安葬。谁乐意做异乡鬼啊?于是德谟克利特在法院上宣读周游专著《宇宙大系统》为自己辩护,法院和陪审员一听大惊失色:搞到如此多科学新知,如何是“挥霍财产”?纯粹赚翻了啊!于是判给他5倍的旅行费用。就在《宇宙大系统》中德谟克利特宣布,构成万物的最基本元素是“不可分割的”(atom),此即后世的“原子”(Atom)。自此到牛顿为止,化学学家都觉得“原子”构成宇宙,可后来不断发觉比原子更小的粒子(原子核、电子等),只得称它们“基本粒子”()。基本粒子出现意味“原子”死亡,由于它们证明“原子”并非“不可分割”(atom)。
人类发觉的第一个微粒子是1897年J.J.汤姆逊发觉的电子(),当时无人相信,知名化学学家都觉得汤姆逊在胡扯。可电子其实早已很“基本”,却仍非“不可分割”,由于电子带一个单位的负电荷,而原子应是电中性的,否则漫天的电子同性相斥,根本合不到一起,就不会有原子了,那就根本不会有哪些世界万物啦。为此,原子应当由电子和另一种带正电的基本粒子组成。1911年汤姆逊中学生卢瑟福发觉原子核,“原子”这才画出了美丽的新图画——带负电的电子围着带正电的原子核旋转,正好构成一个电中性的稳定的原子。
就这样,原子不再是组成万物的“基本粒子”。但后来科学家发觉竟然“基本粒子”也是由更小的微粒子组成,比如轻子和夸克的质量还不到质子和中子的万分之一,现有的最精确电子显微镜都不能直接观测到它们。所以如今数学学已然不说“基本粒子”了,由于实在不晓得什么粒子更“基本”。
爱因斯坦发起的统一场革命正发生对这种微粒子的研究中。科学家发觉,粒子越小,能量就越高,假如把微粒子控制在非常微小的空间内,其引力就大大提高。也就是说,在更小的微粒子之间,引力又回去了!这意味着,在更小的微粒子空间中,引力有可能与其他3种基本力统一!这么,最小的空间单位是哪些呢?就是普朗克宽度(10的-33次方分米)。宇宙的这4种基本力,最后就统一在普朗克空间!
我们都认为科学理论超级沉闷,虽然科学理论比最牛的日本悬疑大片儿都精彩。我们感觉无趣,是由于我们不懂,而绝大多数科学家也懒得给我们这种工科男女解释。对整天在理论天空中振翅飞翔的“王”们来说,要把中微子和统一场说得我们都能听懂,无异于焚琴煮鹤,还不如直接杀了她们畅快些。所以这个杀人的工作只能由我这样的工科老头儿来干,总之我已离退职不远,杀几个人并没有哪些关系。
这场化学革命除了特别精彩,结果亦超级惊人:在普朗克厚度下,相对论与量子论这两大理论双双失效,一种全新的理论统一了相对论与量子论。
啥子理论?
超弦理论。
OK,啥子是超弦?
我们仍然觉得“基本粒子”就是一个没有任何内部结构的微小的点,直至1970年台湾化学学家北部阳一郎(2008年诺贝尔奖)提出超弦理论。
北部阳一郞在普朗克空间把基本粒子放在最大,才发觉每位基本粒子上面都有一根儿细细的弦在震动。这根儿弦只有宽度没有长度。小提琴弦可以奏出无数优美的音符,而这根弦震动以后奏出的是数百种基本粒子和4种基本的力。这根弦细得可怜,即使用最精细的仪器测,它也变得像个点,是1毫米的100亿的100亿的1,000亿分之一(10的-34次方米),因而被称为“超弦”()。看官须知,原子直径约为1毫米的1,000万分之一(10的-10次方米),而原子核半径大概是原子的10万分之一(10的-15次方米)。跟超弦比,原子核即使庞然大物了。这根超弦震动的速率比飞都快。小吉他琴弦的震动人眼早已看不清楚,但毕竟不过一秒钟几百次(10的2次方)而已,超弦一秒钟震动100万亿乘100万亿乘100万亿(10的42次方)次,超弦两端的运动速率是人所能想象的终极速率:光速!
量子论之父普朗克曾感慨说:“我对原子研究的最后推论是——世界上根本没有物质。物质是由快速震动的量子组成的。”古希腊和古埃及都提到宇宙有7个原理,最基本的是“振动原理”。古匈牙利哲学家说:“没有任何东西是静止的,一切都在震动。”直到20世纪我们都把这种话当哲学听,超弦理论横空出世,我们才发觉日本核物理学家,原先,这是数学!
超弦理论横空出世,意味着数百种基本粒子全部统一到超弦起来了,这数百种基本粒子竟然只不过是这根儿超弦的不同震动方式,而4种基本力都来自超弦空间。超弦让基本粒子弄成一个紧密的微小时空,宇宙中所有的巨大化学风波,包括宇宙大爆燃、黑洞与星体死亡,都诞生于这个超级微小的时空之中!
够不够惊艳?
但是,这还只是惊艳的开始。
话说牛顿理论大行其道之时,俺们只晓得3维空间,就是长、宽、高,后来爱因斯坦一棒子敲在俺们脖子儿上,同志们豁然大明白:还得加上时间。因而,俺们现今熟知的是4维时空。
超弦时空多少维?
最初的超弦时空有26维!否则它就要崩溃。爱因斯坦提出4维时空那年好多亚洲人都笑掉了牙齿,所以法国齿科,尤其英国齿科,十分知名。现今竟然有人提出26维!庆幸这个理论很快就得到修正,否则法国就没齿科了,由于所有的牙都笑掉了,你们都使嘴巴吃寿司。
超弦理论很快修正到10维。但它依旧变得非常愚蠢,所以直至1984年大部份化学学家都觉得它是个笑话。但昨天她们已然不笑了,由于科学否认俺们确实生活在10维空间,只是其中有6维紧紧躺卧在一起,我们觉察不到。如同我们离很远看一根儿水管,看到的是一根儿线,只有1维,但走进你会发觉它还有个2维的横截面,而这个横截面的2个维度是蜷缩上去的,从远处看不见。
1995年,爱尔兰化学学家威顿宣布超弦的10维实际上是11维时空。
11维时空,是我们如今对时空的最新认识。
超弦确实不好理解,由于人类生活在3维空间中,因而我们难以在2维的纸面上画出11维。严格讲,连化学学家都难以在脑子中想象出11维时空,但她们却巧妙地用物理工具来解决这个问题。诸如周长为2分米的正圆形是2维,其面积是4立方分米(2分米乘X2分米),而周长为2分米的六面体就是3维的,其容积是8立方分米(2分米X2分米X2分米)。为此,4维空间中的超六面体(4维),其“体积”应为16立方分米(2分米X2分米X2分米X2分米)。以这种推,就可以算出11维时空。10维超弦空间中隐藏的维度弯曲得很小,所以俺们看不见。如同地毯,我们走在前面,只能看到2维——长和宽,但假如把地毯放在放大镜看,才发觉还有组成地毯的绒线弯曲上去的那一维。这一维,我们走在地毯上的人觉得不到,但藏在地毯缝里的跳蚤却能觉得到。正由于多了这一维,虱子才会躲进去,让我们这种只能看到“长”和“宽”这两个“维度”的人看不见它们。超弦理论觉得空间四处隐藏着这样蜷曲上去的维度,其厚度十分短,跟超弦差不多。
二千多年前有个人叫朱泙漫,他变卖全部身家去然後名的大师支离益学习屠龙术,辛辛苦苦3年学到手,提刀四顾,才发觉世上并没有哪些龙可屠。记下这个故事的人是庄子,屠龙术因而被当做好高骛远的典型抨击了二千多年。
虽然,相对论、量子论、超弦理论,包括中微子,个个都是屠龙术!
在日常生活和工作中如鱼得水的人,一定能得到远远超过朱泙漫的赞誉和推崇,然而,她们永远都不会成为屠龙武士。
而历史,并不会记得如鱼得水。
历史只属于屠龙武士!
我坚信中国的屠龙武士王贻芳会由于中微子获得诺贝尔化学学奖。
不信走着瞧!