在物理學的發展史上,有許多的科學家為了探索世界的真相不斷努力,到了現代,有倆種理論最為被人們接受。一種是愛因斯坦的相對論,一種是被無數科學家發展并完善的量子力學。這倆中理論在一定條件下都是正確的,但是世界應該是簡潔而明了的,因此一定有一種理論可以包括這倆種理論。了解宇宙的真實樣貌。
物理學的發展史
從遙遠的古代,人們就開始了對世界的思考,有神明創造萬物的唯心主義世界觀,也有物質是世界本源的唯物主義理論。但當時由于人們知識的局限性,人們對自然的了解并不多。在錯誤中不斷前進,新的理論代替錯誤的理論,構成了物理的發展史。公元前384年,亞里士多德誕生在色雷斯斯塔基拉。這位科學家學識吩咐,被稱為百科全書一樣的哲學家。他的思想一直流傳后世。亞里士多德認為力是維持物體運動狀態的原因,簡單的說就是當物體受到力的時候他才會運動,當他不受力的時候,物體就會慢慢停止運動,這種觀念也一直被人們接受。一直到文藝復興時期。這一時期人們開始反抗長期的宗教思想禁錮,主張思想自由。也涌現了一大批科學家。哥倫布的環球旅行告訴人們地球是圓的,布魯諾哥白尼提出日心說等等此時意大利科學家對亞里士多德的觀點提出質疑。著名的滑梯實驗證明力不是維持物體運動的調劑而是改變物體運動的條件。比薩斜塔實驗證明物體的下落速度和物體的重量沒有關系。可以說他是近代物理實驗的奠基人。在文藝復興的末期,跨時代的科學家艾薩克.牛頓誕生了,他在前人的基礎上,完善總結了力學三定律。1,任何一個物體在不受力或者受力平衡的時候,總是保持靜止或者勻速永動的狀態。2,物體所受的加速度和物體所受的合外力成正比。3,倆個物體之間的作用力和反作用了在同一直線且方向向相反。牛頓提出萬有引力定律,任意倆個質點之間的引力和它們的質量乘積成正比,和距離的平方成反比。牛頓用萬有引力成功預測哈雷彗星的軌跡。之后牛頓建立經典力學體系幾乎所有運動的物體都在這個體系范疇之中。他還和萊布尼茲分別完成微積分理論。當時人們認為物理學的大廈已經建成,剩下的就只有一些邊邊角角的補綴工作。
然而當時依然有一些理論不能用經典力學解釋。1983年,麥克維斯總結電磁學定律提出了麥克維斯方程組。
這個方程統一電場和磁場。并且預言了電磁波的存在。它認為電磁波都是光速,且光束是不變的,這極度不符合牛頓力學。
還有人們在實驗中發現,當物體運動的速度接近光速的時候,它的運動軌跡和經典力學不同。等等人們迫切需要一種理論完善善經典力學。在1887年邁克爾遜和莫雷做的用干涉儀測量光速差的的實驗中,他們發現光速在任何參考系中速度都是不變的,即光速不變理論。這極大沖擊了經典力學,試人們懷疑以太存在。科學家洛倫茲為了解釋這種現象,提出了洛倫茲變換,這也是經典力學的頂峰時刻。
就在人們苦苦探索超高速物質在運動是與經典力學不相符的原因的時候。阿爾伯特.愛因斯坦創造性的提出,時空不是孤立存在的,而是相互統一。速度越快,相對時間就越短。其數學推導公式與洛倫茲變換相同。
狹義相對論否定以太的存在,認為光子傳播不需要任何介質。狹義相對論成功預言了許多現象。1,時間膨脹現象:快速運動的物體,其固有時間比坐標時間小。2,相對論質量與能量的關系與經典力學不同,經過計算可得出 E = mc2 。此理論解釋了核反應中巨大的能量來源。3,多普勒效應。
當光源同觀察者之間有相對運動時,觀察者測到的光波頻率和同光源靜止時不同。4,尺縮效應:運動桿子的長度空間坐標會縮短。1916年愛因斯坦又發表廣義相對論,把引力解釋成為空間的扭曲。引力場方程是一個非常復雜的二階偏微方程。具體形式是
它也成功預言了一下物理現象。1,黑洞:時空中某些區域發生極度扭曲以至于關系都無法逃逸出。2,引力波:大質量的物體運動是會產生時空漣漪。3,引力透鏡:扭曲的時空會使光線發生偏者。
另一方面,量子力學也開始發展起來。最初,普朗克的黑體實驗開始。他發現將將黑體吸收或者施放的能量看成一份一份的,即hv可以更好的解釋實驗結果,普朗克并沒有意識到他打開了量子力學的大門,沒有更加關注。后來科學家愛因斯坦用光量子理論輕松證明光電效應。此時量子力學才開始發展起來。在湯普森和盧瑟福的努力下建立的原子模型改變了人們對原子的認識。
波爾首次在原子模型中加入量子概念,他假設電子只能處于一些分立的穩態上,即我們所說的能級E1,E2,E3,等等如果電子要跳到更高能級上,它必須吸收光子。
后來的量子力學框架越來越完善,德布羅意發現物質波,波是粒子,粒子是波。而后薛定諤在此基礎上推導出薛定諤方程。
為量子力學添上最后一筆。
量子力學與經典物理有很大的不同。第一是全同性。量子只有波色子和費米子倆種,無法區分只有通過頻率來判斷,但是宏觀物體只是近似而不可能相同。第二,在經典力學中,一個運動有確定的速度,那么它的軌跡就是確定的,但是量子的運動軌跡是出于疊加狀態的,無法計算確定的軌跡,只可以根據它的概率密度描述量子的軌跡。量子力學也取得了十分重大的成果。科學家發現場論論,電磁場都是物質的一種特殊形式,而光子是由電場和磁場相互鼓蕩形成的粒子波。發現了膠子,并且發現強相互作用和弱相互作用,完善原子結構模型,楊振寧的楊-米爾斯方程統一了除電磁力以外其他三中基本力。現在科學家又發現了上帝粒子,希格斯波色子,可以說量子力學是現在科學發展的前沿方向。
相對論和量子力學都在探索世界真相的道路上取得了巨大的成功。愛因斯坦和許多研究量子力學的科學家終其一生都沒有統一這四中基本力。
在這里我提出一個假設。在廣義相對中,引力被描述成時空的扭曲,是一種幾何效應。通常我們見到的引力圖片是這樣的。
但是,時空并不是二維的,而是一個四維的時間空間相統一的時空,所以它本應該是這樣的。
那么問題來了,時空可以扭曲,可以運動,那么時空可不可以認為是一種物質呢。波爾在他的能級假說中假設時空是由無數分立的小份組成。我們可以假設時空是由無數等距的小量子組成的。我稱它們為時空子。由于并沒有否定時空,只是把時空量子化,所以廣義相對論公式依然成立。大質量物體會吸收時空子,導致時空子大量想物體聚集,時空子密度增加,與時空扭曲效果相同。
廣義相對論的公式這樣。
他的意思是扭曲時空的能量減去普通時空的能量等于空間的能量。那么可以把這個公式改一下。A-B等于C即扭曲時空的時空子密度減去普通時空子密度等于多遠的時空子密度。即為能量的某種表現形式。也是量子力學中一直在尋找的引力子。愛因斯坦時空理解成為幾何模型,計算方法也是正確的,但是這就無法統一其他的力。
我們再看狹義相對論,只需要滿足倆個條件就可以推導出來。1,物體一定速度在運動過程,到達一定距離的時間是一定,符合經典力學。2,光速是不變。我們假設時空子分布是均勻的,而且是以光速運動,由于粒子全同性,不同的時空子對物體是沒有影響的,不影響其他物質運動。這樣也可以推導出狹義相對論。不僅如此,產生的相對時間差也可以得到解釋。在平直時空中,如果一個物體的動能確定,那么它的速度就是確定的。物體運動的客觀距離是以人的觀察角度確定的,而它的實際距離是相對于時空子決定。速度越大,時空子與物體的相對位移越小,穿過物體的時空子越少,前進的實際距離越短,耗時間越短。
經典力學中能量公式也可以解釋。E=FH,假設物體吸收時空子是瞬時,那么它獲得的時空子只和他接觸到的多余時空子有關,和速度無關。力F就可以描述成單位距離所吸收的時空子。
在量子力學中,科學家假設時空中彌漫著一種場,與物質發生的費米子場相耦合,從而產生質量,但是有哪一種場可以彌漫整個宇宙,可以猜想,所謂的希格斯場就是時空本身。空間本身自然可以彌漫在時空所有角落。而且時空不僅可以和物質的費米子場耦合,還可以自身耦合。在宇宙環境中,電場和磁場是可以穩定存在的,當時空子波動達到一點程度的時候就可以產生電場,快速變化的電場又可以產生磁場,它們互相鼓蕩,產生了電磁波。時空子結合的程度更加高時,就可以產生有質量的粒子。既為希格斯波色子。它極度不穩定,容易消散,為了增加穩定行就會互相結合,形成更大物質。
而在電磁波和希格斯波色子之間還有其他一些物質。比如膠子,它的大小介于希格斯波色和電磁場之間。這種微粒沒有質量大量存在于原子中,可以改變物質的質量結構。當質子距離它在合適距離的時候,質子吸收的膠子大于施放的膠子。當小于一定距離的時候,質子的質量結構被改變,吸收的膠子小于施放的膠子,呈排斥狀態,而超過一定距離之后則會消散。
證明這個理論的證據有一個。在現代量子力學中,人們發現真空并不是真的一無所有,是一片沸騰的粒子海洋。如果時空真的什么都沒有,怎么可以產生粒子,又快速湮滅,達到平衡,無論什么情況,能量總是守恒的,不可能從空無一物的地方借來能能量,產生粒子。這樣的話,波粒二象性也可以得到解釋,因為時空是物質,所以其中運動的物質也會受到影響,不斷與時空子作用,軌跡就不斷發生變化,變得只有在觀察的時候才能確定。