为何现今的数学学停滞不前了,数学学的尽头为何是终极理论,它究竟是哪些?
在回答那些问题之前,你如今可以提出,你能想像到关于宇宙最大的一个疑惑。
例如物质是如何来的,时间有没有尽头,是哪些造成宇宙发生了大爆燃,暗物质和暗能量是哪些?
对于这种提问,现在的数学学已然有了可能的回答,然而这种回答都相对独立。
例如,正反物质对称性破缺可能会解释宇宙为什么发生了大爆燃。
在标准模型的预测中,惰性中微子可能会解释暗物质的组成元素。
然而,我们没法只用一种理论能够解释以上所有的问题。
这就证明,目前的数学学还远没有统一,天空中还有好多乌云。
从本期内容开始,我将持续更新化学学乌云系列,我自己不喜欢碎片物理习,即使是自媒体时代,也尽量做系统化内容。
数学学乌云系列是系统剖析数学学仍未解决的困局系列。
目前数学学困局有62种,此系列早已讲过真空灾变,引力量子化,暗物质粒子等乌云。后续这62种乌云我就会提到,这一系列我会渐渐更新,后续恐怕得更新好几年。
在这种乌云中,最大的一朵只有一种。这也是本期内容的核心内容。在数学学乌云系列中,我会先从最大的一朵乌云讲起,这样大家就有了一个整体框架,然后更新的内容会在这个框架内举办。这样学习上去会更系统,也更有效率。
回归题外话,假如你对所有化学现象都不断追问缘由,那最后的诱因一定是因果律失效的终极问题。反过来讲,假如我们从这个终极问题出发,才能到达任何化学现象。
在科学史上,化学学家几乎都秉持着简单而统一的信念,化学学家在对待两个表面上看上去毫不相关的自然现象总喜欢尝试着统一,找寻它们之间更深层次的共同缘由,逐渐迫近终极问题。
终极问题对应着终极理论。终极理论也就是万有理论(ToE)
综观整个数学学史,正是因为我们仍然憧憬终极理论,才带动了科学的发展。
早在17世纪,人们仍然以为天体运动和抛物运动是由不同的化学机制控制。
直至牛顿的出现,才将月球上物体运动和天体运动统一上去,我们才晓得天体运动和苹果落地原先是由同一种力量控制。
1865年之前,人类其实早已晓得了吸铁石的存在,也晓得雷电现象。并且绝对想不到吸铁石和闪电有哪些相同之处。直至麦克斯韦等式组的出现,才将这两种“毫不相关”的现象彻底统一上去,如今我们晓得,光,电,磁,物理反应这四种完全不同的现象,虽然都是由电磁作用导致的。
20世纪初,量子热学的出现,统一了原子理论和牛顿热学。
1905年,狭义相对论统一了质量和能量,时间和空间。
1915年,广义相对论统一了时空和引力。
20世纪40年代,化学学家统一了电磁理论,狭义相对论和量子热学,进而提出量子电动热学。
20世纪60年代,弱力和量子电动热学又被统一,产生了电弱理论。
现在,化学学学家一边在统一强力和电弱理论,也就是大统一理论(GUT)。
另一边,又在统一量子热学和广义相对论,也就是量子引力理论。
然后,量子引力理论将于大一统理论再度统一,也就是预期中的万有理论
从字面意思上理解,合格的万有理论是能否解释宇宙中一切的自然现象的。
而宇宙无非是物质的,且物质是变化的。
所以万有理论只需解释物质的构成,和物质的变化这两个问题即可。
基于这两个问题,万有理论就建立起了两个框架
第一个框架就是描述物质的构成,第二个框架就是描述物质的变化规律。
我们先来看第一个框架,宇宙的一切都是由物质,场,和能量构成的,而场和能量又可以等价成物质,所以我们只需研究物质是怎样构造上去的,则就可以完成第一个框架的建立。
如今我们晓得,目前所有的物质可能都是由62种基本粒子构成(包含引力子)。这种基本粒子有负责构成物质的费米子,也有负责传递力和赋于质量的玻骰子。不仅暗物质,目前我们所认识到的所有物质,其基础材料都可以在标准模型中找到。
但对于第一个框架,尽管标准模型早已可以挺好地解释,并且还未统一。
第二个框架用于描述物质之间的各类变化规律。
宇宙中的变化看似包罗万象,例如:木材的燃烧,海水的流动,原子弹的爆燃,动物的光合作用等等,而且万变不离其宗,宇宙中所有的变化无非都是四种最基础的变化导致的。
这四种最基础的变化就是四种基本斥力。化学法则不认同超距作用,任何斥力都必须存在一种信使粒子来传递力。所以四种基本斥力就是互相交换信使粒子的产物。
电磁力是物质之间交换光子的产物。燃烧的本质就是分子物理键的破裂和重组,其过程由电磁力主导,且交换光子。
包括光合作用,海水的流动粒子天体物理,磨擦生热的过程中还会交换光子,其本质都是由电磁力造成的。
弱力是物质互相交换W和Z玻骰子的产物。原子核中的质子和中子会互相变换,这些变换的本质就是交换W和Z玻骰子引发的。
强力是物质互相交换胶子的产物,夸克之间交换胶子才产生了强力,进而产生夸克禁闭效应。
引力是物质互相交换引力子的产物,理论上,天体之间交互了引力子才维系了引力(待否认)。
宇宙中最基础的变化,正是由四种基本力在不断交换信使粒午时造成的,在四种基本力的原始带动下,形成了多米诺骨牌效应,从而带动了整个物质世界的运动,形成了诸如,超新星爆发释放的伽玛射线,黑洞合并释放的引力波,月球自转产生的磁场等等千变万化的现象。
如今再仔细剖析万有理论的两个框架,第一个框架负责解释物质的构成,第二个框架负责解释物质在四种基本力作用下的变化。
对于第一个框架,尽管标准模型早已给出了62种基本粒子,而且假如要统一物质的构成理论,就须要找到这62种基本粒子之间更深层次的一致性,只需通过一种理论就可以延展出这62种基本粒子。
目前数学学正在用超弦理论企图统一这种基本粒子。
觉得最基本的物质就只有一种,这是接近普朗克尺度的弦,弦的不同方式的振动才衍生出不同的基本粒子。
同理到第二个框架,四种基本斥力也必须统一,也就是说,四种基本力一定存在一种更深层的一致性,通过这些一致性,因而才衍生出四种基本斥力。
而目前,数学学只统一了弱力和电磁力,弱力和电磁力只是在低能量状态下才表现得像不同的力,但能量只要足够大(),弱力和电磁力才会表现成同一种电弱斥力。这就是电弱理论。
所以我们就可以构想,假如外部条件合适粒子天体物理,强力和电弱斥力是不是也会统一表现成同一种力?电弱理论假如统一了强力都会晋升成大统一理论。
假如大统一理论完成,那剩下的就只有引力了。
大统一理论之所以不包括引力,是由于引力非常特殊。强力,弱力和电磁力至少早已明晰了它们的信使粒子。但目前,我们甚至连引力的信使粒子(引力子)都没有找到。为了不让引力拖大统一理论的后腿,所以化学学家另辟蹊径,让电弱理论先统一了强力再说。至于引力,则尝试用新的理论单独统一,这就是量子引力理论。
两条支线任务同时并进,电弱理论统一强力后,晋升成大统一理论,量子热学统一引力后,晋升成量子引力理论。
两条支线任务完成后,然后再统一量子引力理论和大统一理论,到那时,四种基本斥力则彻底被统一,万有理论则大事可成。
但回顾数学学史,据说这样的思路常常蕴藏着巨大的隐患。参考以太的发展史,都会发觉,数学学的方憧憬旧事与愿违。
事实上,万有理论远比想像的困难多了
我先说两个最大的问题,一个是理论上的问题,另一个是哲学上的问题。
我们先谈谈理论上的问题,在数学学统一的过程,虽然仍然忽视了暗物质和暗能量。
暗物质和暗能量之所以存在,是由于大尺度下的天文现象和现有的引力理论不符。
导致这般的局面无非就是两种可能
第一种可能:暗物质和暗能量不存在,引力理论须要更改。
第二种可能:暗物质和暗能量存在,这就证明数学学中存在很大的不确定性诱因。
这两种可能的任何一种都极大地妨碍了万有理论的统一之路。
不仅理论上的困难,还有哲学上的困难。
首先我们思索一下,数学理论的本质是哪些?
数学理论的本质无非就是对自然现象的归纳和总结,但并不能解释自然现象为什么这么。
我们不生产现象,我们只是现象的归纳工。
假如自然现象本就是独立的,而不存在一个可以延展出各类自然现象的最基本现象。
这么万有理论就不可能成功。
由于万有理论的意义就是将所有自然现象归纳到一个理论中,从这个最基础的万有理论出发,就可以解释任何自然现象。
化学理论只能基于现象,假如现象本不这么,则理论则也该不这么。
最后,说一下我自己的看法,我觉得万有理论可能永远不会实现,由于真正意义上的万有理论意味着数学学的停滞,我们仅基于一个理论就足以解释宇宙中的所有现象,这是非常愤慨的。
自然规律还不足以可怜到人类仅有几百年的时间就被完全把握了。
追求数学学的统一是探求宇宙的驱动力,而不是终点。我一直相信一句话:已知圈越大,未知圈就更大。