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TBBT第4季6集:重力之谜(附视频)

(文/大卫·萨尔兹保)四百多年前,通过艾萨克•牛顿先生的解释,我们了解到重力为适用于全宇宙的力。大约一百年前,埃尔伯特•爱因斯坦的相对论更新了我们的理解。尽管人类完成了这些伟大的发现,但重力仍是物理学界的谜团。

几世纪前,科学家发现了其他三种基本力。电磁力为我们所熟悉,它把电流输送入我们的居所,让电子流过电子设备。幸运的是,它能够把原子和分子结合在一起。强力保持了原子核的形态。原子核由中子(不带电)和质子(带正电)组成。既然同电荷相排斥,那么原子核本应无法聚合。虽然排斥作用存在,但另一种力——强力保持了原子核的形态。在原子核中,强力比电磁力更大,不过只是近距离有效。这也是我们日常生活中没有体验到强力的原因。它的范围决定了原子核的最大尺寸。目前还没有发现超过300颗质子和中子的原子核。既然原子核的形态为球体,而且其中质子和中子的大小相似,我们就可以使用简单的几何学计算半径了。

所以最大的原子核半径大约有4颗中子和质子(直径上存在8颗)大小。这就是强力的大概范围——约为4颗质子的宽度,即0.000000000000004米。

我们的列表中还有一种力被称为弱力。弱力的强度非常弱,无法维持任何物质的形态(据我所知)。但它仍作用于亚原子层面。它的作用力可以与电磁力相比较,但范围比强作用力小很多,是强作用力的一千分之一。它的重要性在于它是唯一能够把质子变为中子的作用力。没有它,太阳就不能把4颗氢原子(4质子)转化为(2质子、2中子),我们也不会有能量源。

但人类对发现较晚的三种力有更全面的理解。这三种力在量子力学框架中发挥了很好的作用。你也许经常听说量子力学的适用范围很小,这是错误的。当一种中微子穿越与地球大小相似的距离时会转变为另一种中微子,此时也会出现量子力学效应。这还没达到极限,我曾作为共同作者撰写过一篇文章,说明了量子力学效应可能发生在10亿光年的距离范围内。

所以,把量子力学描述为小尺寸的物理学就过于简化了,忽略了它最重要的特点。量子力学实际上揭开了距离与动量间的特殊关系。事实上,当距离和动量很小时,量子力学会起到重要作用。

正如量子力学揭开了距离和动量间的特殊关系,描述重力的相对论为我们解释了时空间的特殊关系。还不止如此。量子力学还说明了能量与时间的特殊关系。同时,相对论还关心动量和能量间的联系。

这两种理论解释了不同的关系。但当我们想把所有关系统一起来时,在重力方面遇到了麻烦。过去五十年中,物理学界一直在协调量子力学与相对论的关系。我们已经获得了四分之三的成功。描述电磁力、强力和弱力的统一理论很完善。

但重力没有屈服。大多数物理学理论工作都致力于量子力学和重力的统一。莱纳德和莱斯利为弦理论和圈量子引力吵得不可开交,这两种理论正是为了统一量子力学和重力。物理学家也正进行着其他尝试。但到目前为止,还没有任何理论通过实验测试,大多数甚至都没有做出明显的实验预测。

最后,让我们回到本期剧集。谢耳朵的研讨会不止与“热力学波动”(能量和热量的基础理论)相关。更重要的是,重力的产生过程与之非常相似。最近由荷兰备受尊敬的理论家埃里克•韦尔兰德提出的一种新理论应用了这一点。相关的方程出现在了今晚公寓的白板上。

所以,这是物理学界最大的尴尬事之一,因为我们发现的第一种力——重力仍迷雾重重。但我有坚定的信念,因为谢耳朵的工作就是解决它。

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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

The End

发布于2011-06-12, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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