做理论物理都寻找浅易?没那么浅易!

日期:2018-12-19/ 分类:公司简介

  这个幼故事给吾们做理论的人什么样的启发呢?你千万别老呆在办公室想着怎么做计算,异国想法的时候就去泡泡澡,或者去吃个冰淇淋,或者怎么样。李政道老师和杨振宁老师关于弱作用宇称不守恒的想法,就是在一首吃饭吃出来的——天天一首吃饭不太能够,每隔一周去一首吃顿饭就没题目了。你要做理论,必定要有理论家的风范,千万不克太物化板。要频繁让本身放松,如许大脑才能产生专门了不首的想法。

  而且以吾这么众年的人生经历所得到的最大的体会之一就是人怎样才能变得宽容:你把别人能犯的舛讹都犯了,你就会变得宽容,你就不太想指斥别人了。由于同样的舛讹吾本身也犯过,没必要再说别人了。

  没那么浅易

  吾们从中学就学过e指数。著名的欧拉公式就稀奇的时兴。费曼他老人家曾经说,这是the most remarkable formula in mathmatics(数学中最了不首的公式)。为什么?由于这个公式把当然界两个专门主要的参数——当然对数的底e和虚数单位i——有关了首来。 

  来源:中科院物理所

  吾给行家举一个例子。1973年的时候,两位日本理论物理学家幼林诚(Makoto Kobayashi)和好川敏英(Toshihide Maskawa)做了一个了不首的做事。他们那时照样京都大学的博士后或助教。他们挑出,基于以前的标准模型框架,要解决物质-逆物质偏差称题目的话,只有那时被发现的三栽夸克是不足的,必要再引入三栽夸克。这六栽夸克组成三代,三个家族,然后才能引入CP损坏的相角,即在夸克同化矩阵中引入一个不可约的虚部。而这个虚部就保证了物质和逆物之间能够有偏差称——两者最初是对称的,但经过行力学演化变成了偏差称。这就是著名的幼林-好川CP损坏机制。

  行家想一想,那时只有三栽夸克,为晓畅释理论中能够容纳CP损坏效答,必要再引入三栽新夸克,然后引入四个解放参数——在那时十足异国任何实验证据的新参数。这个代价是不是太大了?你敢这么做吗?换成吾的话,吾肯定不敢。对吾来说,引入一栽新粒子,引入一两个新参数就已经觉得很不经济了,就会不安别人会不会自夸吾的理论模型,以及吾的文章能不克被批准发外。

  好川敏英教授后来说,他那时一面在浴缸里泡澡,一面苦苦思索这个题目。由于那时实验上实在只不悦目测到了三栽夸克,因此在浅易的“三夸克”框架之内,真的异国手段让理论能够损坏CP对称性。泡完澡之后,他的想法就来了:倘若再引入三栽新的夸克,题目就顺理成章了。有人因此戏称好川教授是日本的阿基米德。

  既然如此,时空都曲曲了,光就会行曲路。在上世纪初,英国科学家喜欢丁顿(Eddington)始末不悦目察日全食表清新喜欢因斯坦的广义相对论的预言是精确的。实在,大质量物体存在的时空会发生曲曲,光沿着测地线行,就会行曲路。

  再举一个能量变质量的例子。吾们现在已经进入了众信使天文学的时代,不光仅是电磁波,中微子、宇宙线、引力波都成为吾们探寻宇宙最深处的有效探针。双中子星相符并或者其他强烈的天体过程,产生了大量高能的光子。它们在宇宙空间中传播时,会和宇宙的微波背景辐射,也就是极矮能光子,发生相互作用。两个光子相互作用会变成正逆电子对。光子是辐射、是能量,而正负电子对是实体、是物质。这就是能量变质量的一个浅易例子。

  喜欢因斯坦的广义相对论,不再把引力理解成为一栽力,而是时空在有质量的物体存在的时候,发生了一栽几何形变。这就像一个平整的蹦蹦床,放入了一个重的物体,它就会凹陷去。时空的曲率和质能的分布,两者是等价。这是一个专门稀奇的思维。

  幼林和好川教授的文章望首来很浅易,但物理思维其实很深切。如许一个做事在2008年获得了诺贝尔物理学奖,授奖词说的就是他们找到了CP对称性破缺的机制,同时预言了当然界中存在三代夸克。

  朗道(Landau)说喜欢因斯坦的广义相对论方程能够是最时兴的理论。朗道是专门挑剔的人,他都觉得是最时兴的东西,那必定是最时兴的。

  而他们一会儿引入了三栽新夸克,四个未知的参数,其中包括三个同化角和一个CP损坏相位。这在那时来说,毫无疑问是专门大胆的预言。但是很幸运,他们行在了精确的路上。终极实验表明他们的预言都是对的。

  浅易还容易和简约、经济(economy)有关在一首。要寻找经济,就要做到参数尽能够少,组织尽能够浅易,预言能力尽能够强。要构建一个理论的话,如许的请求肯定是相符情相符理的。但是未必候,你所钻研的物理系统并不克保证你能实现如许的浅易性和撙节性。

  吾今年夏季参添过一场与高三弟子的会谈,那时吾问他们最浅易、最著名的方程式是哪一个。很众同学说是1 1等于2,但吾总觉得1 1等于2有点过于浅易了,也没那么著名。再说1 1等于2,也不克算是方程式,而且物理学的方程式答该含有物理量。因此,去下望——

  因此喜欢因斯坦他人家最了不首的地方就是能把时间和空间有关首来,能把质量和能量有关首来,能把万有引力和时空几何有关首来。将这些望首来毫无有关的东西有关首来,就使得理论专门浅易,而且专门深切。

  由于浅易,从而深切,而不是逆过来。或者说逆过来也相通,由于要寻找深切,因此才寻找浅易。浅易在很众时候是真理的一个主要的标志,也是它的力量所在。

  吾们有专门众的例子来表明喜欢因斯坦的理论是对的。高能所地下的北京正负电子对撞机就是专门好的例子,其中电子或者正电子的速度是0.99999c(c为光速)。倘若狭义相对论是错的话,吾们就异国手段控制如此高速的电子和逆电子束流。

  比如说原子弹爆炸,是核裂变。原子核破碎前后有质量差,质量转化成了能量。

  这是一栽新的意识。从迥异的角度、以迥异的说话来描述同样的表象,这也是科学家答该具备的一个最基本的素质。

  同一

  同时,吾们必要借助比较好的数学说话,寻找数学意义上的美感。复杂的外达清淡都匮乏美感,浅易的、对称的外达清淡都具有美感。

  再比如核聚变。太阳为什么能发光发炎?由于它的内部发生了核聚变。在这栽巨变的过程中,能量产生出来,也是由于有质量差的因为。

  因此苹果会从树上落下来,纷歧定要说苹果和地球之间存在万有引力。行使喜欢因斯坦的广义相对论,大质量的物体造成了时空曲曲,而所有的物体都有沿着测地线运行的趋势。由于当平面凹陷去了之后,上面的幼球当然要去凹的地方滚,因此苹果找的那条向着落的路,就是它认为最经济的路线(测地线)。

  这也是为什么以前喜欢因斯坦他老人家在竖立广义相对论的时候,不克再用欧几里得几何,必定要用黎曼几何。由于时空已经曲曲了。吾们挑出一个新的理论,有了新的物理思维,还要借助专门先辈的数学描述。吾们期待用最浅易的数学手段来描述当然界背后最深切的物理内心和物理规律,这当然是一个重大的挑衅。

  大同一理论期待把电磁力和强弱核力都同一在一首。弦论寻找的是a theory of everything(万物理论),把引力也同一首来,构建量子引力,当然还异国成功的理论来实现这一梦想。同一了就会浅易;否则的话,迥异的力要用迥异的耦相符参数来描述,而同一在一首的话,用一个耦相符参数描述就能够了。 

  1933年6月,他在牛津大学访问时强调,总共理论的崇高现在的就在于使这些不克简化的元素尽能够浅易,并且在数现在上尽能够地少。

  这就启示吾们,做理论家要有品味,要有格局,在寻找浅易的同时,更要寻找整个理论的完善性和它的预言能力。未必候做倘若,引入一些新粒子、新参数是必要的,但很众时候能够是不消要的。这时候,吾们本身要有一个权衡,要望本身支付的代价值不值。

演讲人 | 邢志忠演讲人 | 邢志忠 (图源:NASA/SDO) (图源:NASA/SDO)光线行曲路(图源:physics.stackexchange.com)光线行曲路(图源:physics.stackexchange.com)(图源:science4all.org)(图源:science4all.org)(图源:nobelprize.org)(图源:nobelprize.org)  声明:新浪网独家稿件,未经授权不准转载。 -->

  举几个例子来体会一下。

  吾们寻找浅易,从某栽意义上就是寻找深切、寻找同一,寻找一个完善的、大的物理图像。

  喜欢因斯坦他老人家寻找浅易,所有后来人做理论物理都寻找浅易,甚至还寻找简约、撙节,寻找同一。同一了就会浅易。吾们已经实现了电和磁的同一,光和电磁波的同一,电磁力和弱核力的同一,时间和空间的同一,质量和能量的同一,但还有很众东西一时还异国被同一首来。

  喜欢因斯坦他老人家说了很众这方面的话。1932年的时候,他在哥伦比亚大学说,吾们在寻求一个能把不悦目察到的原形有关在一首的思维系统,它将具有最大能够的浅易性。吾们所谓的浅易性,并不是指弟子们在掌握这栽系统时产生的难得最幼,而是指该系统所包含的彼此自力的倘若或正义最少。

  最著名的物理学公式,毫无疑问是喜欢因斯坦的质能方程,E=mc2。为什么质能有关这个方程专门浅易?由于它拥有意料不到的有关。了不首的地方在于,它把能量和质量有关首来。有关性是寻找浅易性的一个主要原则。

  这让吾觉得稀奇受启发。光也会行曲路,何况人呢?吾们频繁犯点舛讹,然后频繁被老师或者家长,或者被其他人指斥指斥一番,这很平常。连光这么了不首的粒子,都会行曲路,吾们人犯点舛讹,行点曲路,受点波折是异国题目的。

  狭义相对论的质能方程

  美感

  吾们商议中微子振荡表象,最初就倘若两栽类型的中微子之间相互转化,用来注释太阳、大气中微子振荡实验数据。后来发现不可,必要引入三栽类型的中微子才能注释所有郑重的实验数据。在必定水平上,科学不能够最最先就复杂。倘若最最先就倘若三栽甚至四栽中微子,参数就会很众。但那时只做了一栽类型的实验,实验数据很少,用很众参数来描述一栽表象就没有趣了,就异国手段局限参数空间,就得不出精确的物理结论。因此先用最少的参数,不可的话再用次少的参数,逐渐地行向一个完善的理论。

  你为什么要频繁剃胡子、刮脸、理发?没必要!胡子对你的面部主要吗?影响你吃饭吗?影响你望东西吗?因此听命奥卡姆剃刀的原则,连眉毛都能够刮失踪,不影响你的主要生活质量。这就是脸部的解放参数尽能够少的例子,甚至剃个光头才好。这曾经是钻研当然科学和社会科学的一些学者所听命的请示原则——寻找浅易,能用两个参数来描述的东西,就绝不消三个参数。

  历史上有一个所谓的奥卡姆剃刀(Occam’s razor)原则,说的就是Entities must not be multiplied beyond necessity(如无必要,勿添实体)。什么有趣?不必要的就不要去里添,越浅易越好。

  了不首的有关

  广义相对论的喜欢因斯坦方程

  最先挑显当代暗洞理论、给暗洞首名的美国物理学家约翰•惠勒(John Wheeler)说过:Spacetime tells matter how to move, matter tells spacetime how to curve(时空通知物质如何运行,物质通知时空如何曲曲)。他的这番外述专门对称,专门好。