找到上帝的方程式

一个1英寸的方程能描述所有的物理吗?
2021年5月26日

ARTY-UNIVERSE

这是一幅在太空中旅行的艺术图像,星星经过,周围环绕着明亮的色彩,中间有一颗明亮的星星

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在这个月的《赤裸裸的天文学》节目中,我们正在寻找生命、宇宙和万物的答案。我们正在研究“上帝方程”,这个方程可以描述我们在物理学中所知道的一切。它会是什么样子,又意味着什么?加入Adam Murphy和Ben McAllister的还有物理学家Michio Kaku上帝方程式来讨论这种方程是如何产生的,以及可能需要什么样的科学来解释它……

物理学作为一门学科做得很好,我们已经解释了很多关于宇宙的事情,但是在很多物理学的核心,有一个非常大的问题我们还没有答案。

亚当:你是如何把最小的物理学——量子力学和最大的物理学——广义相对论结合起来的?

本,让我们倒回一分钟。据我们所知,有四种基本的相互作用可以描述宇宙中发生的一切。它们被称为强相互作用,弱相互作用,电磁和引力。前三个,我们通过所谓的量子力学来理解,量子力学是一种在非常非常小的长度尺度上描述事物的物理理论。例如,量子力学告诉我们,光子是光的粒子,是电磁中最小的粒子。它们在整个宇宙中调解这种相互作用,

亚当:强相互作用和弱相互作用都有自己的小粒子,它们也在宇宙的量子图景中被定义。但引力是通过另一种不同的理论来描述的,即爱因斯坦的相对论,它着眼于大尺度。当你试图把这两者结合起来的时候,事情就变得有点奇怪了。

本:一个理论,如果能把这两种截然不同的长度尺度结合起来,并描述宇宙中所有的相互作用,就被称为万有理论。现在,当问什么是万物理论的时候,记住,我们还没有一个,可能值得问的是,为什么我们首先需要一个。如果一个完全不同的理论就可以,为什么我们还需要一个大统一理论呢?

美男:嗯。首先,所有的生物,我们周围所有的生命最终都可以归结为化学。而化学反过来又可以归结为物理定律。反过来,物理学可以归结为相对论。这就是关于大爆炸和黑洞的理论。还有量子理论,原子理论,它给了我们晶体管,激光和互联网。整个问题就是要把这两种理论统一成一个理论。上帝的等式,这个等式,也许不超过一英寸我们可以引用,读懂上帝的思想爱因斯坦在他生命的最后30年里一直在追求这个大统一理论。我们认为我们在实现这个一英寸方程方面正在取得突破。

算出这个方程将是物理学上的重大突破。我们说的是瞬间获得诺贝尔奖之类的东西。这是一种人们可以,也已经花了一生去追求的东西。很多人认为,像这样的事情到目前为止是我们无法掌握的,是一厢情愿的想法。

亚当:问题是,虽然这在物理学中不是闻所未闻。已经有类似的东西叫做薛定谔方程。

薛定谔方程并不能描述所有的东西,但是通过这个小方程,你可以推导出我们对量子力学的大量了解。

亚当:我们对电磁学的大部分知识都来自几个方程:麦克斯韦方程。所以我们知道只用几行就能写出非常强大的东西。那么万有理论会是什么样子呢?

Michio -嗯,你知道,我收到很多人的电子邮件说“我明白了。我有了万有理论"然后他们会提出他们的建议。那么标准是什么呢?如果你正在听这个节目,你想赢得诺贝尔物理学奖,你想成为下一个爱因斯坦,你要做什么?统一理论必须有三个要素,只有三个。第一,它必须包含爱因斯坦的理论,它大约有一英寸长。广义相对论大约一英寸长。然后你必须包括标准模型,这个可怕的亚原子粒子理论。大概是一张纸的10行。所以在一张纸上,你可以写下爱因斯坦的理论,标准模型。 And if it's finite, which is the third criteria, that's it. If you can create a finite amalgamation and finite mixture of Einstein's theory, plus the standard model, that's it, that's it. You will go down as the next Einstein. Your name would be mentioned by your great, great, great grandchildren as the great pioneer. That's all it takes, but you see the greatest minds in science have tried to meld these two theories together and have failed until recently.

本,如果你有了这个理论,这个一英寸方程,你就可以开始在最细微的层面上理解宇宙。你可以开始理解万物是如何在一个非常非常基本的尺度上聚集在一起的。

亚当-许多科学家都在问,在这种情况下,需要应用什么物理学,或者甚至是凭空创造出一种万物理论,并回答这个问题:宇宙是由什么组成的?

毕达哥拉斯,伟大的几何学家,认为那是音乐。里拉琴弦有谐波,音符,你可以用数学来分类,八度,旋律,三度和五度的数学。他认为这是宇宙的范式。好吧,它哪儿也没去。然而,2000年后,我们认为毕达哥拉斯也许是对的。今天,我们有一种叫做弦理论的东西。在这种情况下,音乐是宇宙的语言,是亚原子粒子的语言,是我们周围一切事物的语言。坦白说,这就是我的工作。我是弦理论的早期先驱之一,我们说也许它是音乐,宇宙的语言。所以亚原子粒子只不过是一根非常非常小的弦上的振动。 And then physics would be the harmonies of the string. Chemistry would be the melodies you can play on interacting strings. The universe would be a symphony of strings. And then the mind of God, the mind of God that Einstein chased after for so many decades would be cosmic music resonating through hyperspace. That would be the mind of God.

本-弦理论是在非常小的尺度上解释整个宇宙的一个候选或想法,因此,它是给我们提供万有理论的一个候选。

亚当——然而,它是一个相当复杂的野兽,并没有得到建立在它之上的几十种不同的流行文化解释的帮助。从本质上讲,它说我们在宇宙中所知道的所有事物实际上都是由微小的弦构成的我们所感知到的粒子是这些弦上不同的振动。就像小提琴弦的不同振动可能会给你一个a或D,这些小的通用弦的不同振动会以质子或中子的形式出现在我们面前。

本,它努力将引力解释为弦的一个方面,因为就像弦上的一种振动模式可能是光子,也就是你们会记得的调节电磁相互作用的粒子,另一种振动可能会给你调节引力的粒子。所以你可以把这两种完全不同的长度尺度理论联系起来。你可以把这些大尺度引力理论和小量子引力理论联系起来,作为同一根基本弦的两个方面。

亚当-还在吗?我们知道,这很奇怪。虽然弦理论可能很新,看起来非常复杂。据Michio说,基础工作比你想象的要早得多。

好吧,这一切都是从亚里士多德开始的。亚里士多德认为,风、土、火、水,这四种成分是构成宇宙的物质。另一方面,民主党人说,不,不,不。不是那个,是原子。“A”在希腊语中是不能的意思,“tom”是切割的意思。原子的意思是你不能切割的,也就是不可摧毁的原子。然后正如我提到的,毕达哥拉斯出现了:“我可以用数学。用数学来描述振动弦上的音符他去了一家铁匠铺,看到铁匠在敲打一块金属,金属越长,发出的声音越低,音符也越低。他说,“啊哈,长度对应频率。” And so he developed a whole theory of mathematics of harmonics and music, which we still use today, by the way, then the Roman empire fell apart. And for a thousand years, uh, science went into darkness until the coming of chemistry, with Mendeleev beginning to create order among the elements of the world. And then finally, by smashing these atoms, we then get a picture of what atoms look like, electrons circulating around protons and neutrons, but where do they come from? Every time you smash a proton, you come up with hundreds of subatomic particles. J Robert Oppenheimer, the father of the atomic bomb once said in frustration, the Nobel prize in physics should go to the physicist who does not discover a new particle this year. Well, how do we make sense of all these things? You know, many things have been proposed. Niels Bohr gave a talk at Columbia university in New York where I am right now. And he listened to a talk by Professor Pauli, his version of the unified field theory and Niels Bohr was shaking his head and said, "no, no, no, no, that can't be right." So finally, Niels Bohr, the founder of the quantum theory stood up and said, "Mr. Pauli, we in the back are convinced that your theory is crazy, but what divides us in the back is whether or not your theory is crazy enough." In other words, all the easy things have been tried. All the easy theories have been shown to be wrong, wrong, wrong. The only theory which has survived to create the God equation is string theory.

亚当:所以,如果你认为这一切听起来都很疯狂,至少你有一个好伙伴

本:事情变得有点奇怪了。正如我们之前所说,根据弦理论,一切都是由微小的弦组成的。通过这些弦的振动,你得到了我们周围的所有粒子。但是这些弦很小。比我们今天所知的最小亚原子粒子小得多。那么我们如何测试它呢?有办法看到这些弦吗?

嗯,你知道,人们经常问这个问题,我们能看到原子吗?我们能看到原子吗?答案是,不完全是。你看,你说看是什么意思。你说的看见,是指可见光,可见光。可见光有波长。可见光的波长比原子还长。所以你要做x光检查。有了x射线,你就可以单独“看到”原子。所以你可以用间接的方式“看到”原子。 String theory is somewhat similar. String theory vibrates on a tiny, tiny scale called the Planck length. The Planck length is 10 to the minus 33 centimetres. It's really small. As a consequence, you cannot see it with visible light. Visible light is simply too big. Even with gamma rays, you cannot see strings. So in other words, strings is the ultimate basis of reality itself. Therefore, how do you see it? You cannot see it with light. Light is of course a by-product of the size of our retina. Okay. It's a by-product of biology. So you cannot see strings. Sorry about that.

亚当-弦理论几乎是不确定的。这可能很有希望,但我们仍然缺乏确凿的实验证据。虽然它可能是最著名的理论,但它并不是唯一一个研究弦理论的理论。有像环量子引力这样的理论,它可以调和量子力学和广义相对论,而不需要成为一个万有理论。

然后他们都有同样的问题。虽然描述这个理论的数学是正确的,但每个人都有自己的理论,而且都经过了两遍和三遍的检查。这些理论还没有得到验证。不幸的是,仅仅因为某些东西在数学上做得很好,并不意味着它是正确的物理。你可以用很多优雅的方式写下数学理论,而这些数学理论并不是宇宙运行的方式。

亚当-所以当你试图证明弦理论的时候,你在寻找什么?

Michio -所以我们在寻找偏差。这就是弦理论和其他理论发挥作用的地方。肯定有更高级的理论。超越标准模型的理论。这就是为什么,在某种意义上,这就是为什么我们建造了这个价值100亿美元的机器。这是有史以来最昂贵的粒子物理机器。它的建立是为了证明标准模型的正确性然后超越标准模型,以及标准模型之外的东西。我们希望是弦理论。还有其他实验可以证明弦理论的正确性,或者指向那个方向。现在地球上已经安装了引力波探测器。 The Nobel prize was given to physicists who helped to build it. We're going to put them in outer space. Outer space. Space- based gravity detectors that are about 3 million miles across. Think of a triangle where each vertex of the triangle is a satellite shooting laser beams, over 3 million miles, to the next satellite. The slightest vibration from the Big Bang, the slightest vibration from the instant of creation, would be recorded by Lisa: Laser Interferometer Space Antenna. And this could give us baby pictures of the infant universe. Baby pictures or the infant universe, a trillionth of a second after creation itself. And maybe, just maybe we'll have baby pictures of the infant universe emerging from the womb. And maybe, just maybe, an umbilical cord, maybe we'll detect an umbilical cord connecting our infant universe to a parent universe. This is called inflation theory. It fits all the data, and inflation theory of course is compatible with string theory. So it means that we might be able to detect the presence of parallel universes, which of course is predicted by string theory. Our universe may not be the only game in town. If you have radiation after the instant of creation, you can then test it against string theory predictions, and string theory of course, goes before the Big Bang. It's a finite theory. It goes before the Big Bang and you can then surmise which of the post Big Bang radiations are compatible with the pre Big Bang radiation. You connect the dots in that way, you can actually begin to determine what the pre Big Bang universe might have been like. And we have theories about this called inflation. Inflation, of course, fits all the data so far. It is the leading theory of the Big Bang, but it doesn't tell you why it banged. Doesn't tell you what banged. It doesn't say anything about the bang itself. It just describes the bang, after the incident of creation. That's where string theory comes in. String theory then takes inflation and takes you to the pre Big Bang universe.

亚当:弦理论要想胜出,我们要寻找的东西是基于我们所知道的,没有意义的,不太符合我们所理解的物理。但这可以用弦理论完美地解释。每次我们看到这样的东西,与我们目前的理解有一点偏差,就会加强弦理论。

本:当然,没有任何发现会积极地否定弦理论。弦理论可能还需要另一件事。这就是所谓的超对称理论,它认为每个粒子都有自己的超级超级伙伴。电子会有选择电子。顶夸克有停止夸克。

亚当-亚当斯会有他们的超级搭档。本斯

本:当然。是的,但撇开这些不说,Michio说他已经在宇宙的很多地方看到了这样的对称性。

对物理学家来说,美就是对称。什么是对称?对称是这样的,如果你有一个方程或一个物体,比如球体,旋转它,你把它打乱,它保持不变。为什么万花筒如此美丽?因为如果你旋转它,你会发现它是对称的,它保持不变。这就是为什么会有雪花。这就是为什么是球体。它们对称而美丽。那么方程呢?方程也是一样。 You might take Einstein's equations of space and time and rotate it. Rotate time into space and space into time. Bingo, the equations remained the same. That's why Einstein's theory is based on symmetry. What is the symmetry? Four dimensional rotations in Lorentz space. Now let's take a look at the quark model. The quark model, which is a model for the inside of the proton, has three quirks. If you rotate three quark among themselves, the equations remain the same. It's symmetrical under something called SU(3). Now you mentioned electromagnetism, which has a symmetry called U(1), and the weak force has a symmetry SU(2). So if you combine them, U(1) cross SU(2) cross SU(3), bingo, what do you get? The standard model of particle physics, which fits all the data. In fact, it is frustrating because we see no deviation from the standard model. So why is the standard model the standard model? Because there is a symmetry. The symmetry that you wrote particles into and the equations remained the same. Now just two weeks ago, it hit the papers, we found a slight deviation in the standard model. People are jumping on this because people are saying, "Aha. Now we're getting a glimpse, a glimpse of the post Large Hadron Collider era. We're getting a glimpse into a new law of physics." Hopefully what'll come out of that blip there, in the newspaper, is supersymmetry, a new symmetry beyond the symmetry of the standard model. Again, the standard model has a symmetry, U(1) cross SU(2) cross SU(3), the theory of rotating quarks, and light into each other, but there could be a new symmetry out there. We think that supersymmetry could be the ultimate symmetry of the universe. What does it rotate? It rotates the entire universe into itself. It is the biggest symmetry known to physics. It encapsulates every single subatomic particle into one equation, the God equation. So why is the GOD equation so beautiful and compact, because it has a symmetry, a symmetry that resonates with the human mind. And this is what we consider beautiful.

超对称理论,根据弦理论,也可能导致大统一理论,但这仍然是一场比赛,看看各种候选理论中哪一个最终是正确的。

亚当-为什么弦理论在当时流行起来,为什么它很重要?为什么我们在这么多不同的电影和电视节目中都能听到这个词呢?

Michio -嗯,是的,如果你看一下电视上的《生活大爆炸》。谢尔顿,那个节目里伟大的理论物理学家研究的是弦理论。从某种意义上说,如果你不研究弦理论,你就错过了潮流。有一种潮流,不管是好是坏。有一辆坏马车。如果你不研究它,从某种意义上说,你就错过了机会,因为很多物理学中最聪明的人都在研究这个理论。现在为什么?愤世嫉俗的人会说这是因为这是镇上唯一的游戏。

亚当-当然,这些天它的确要和其他理论同台竞技,但它是最基本的理论,如果你愿意的话,它是最深入人心的理论。

本:这当然是一个令人信服的想法。它绝对抓住了Michio的想象力。

Michio -嗯,就我个人而言,我父母是佛教徒,在佛教中,只有涅槃,没有宇宙的开始。然而,作为一个孩子,我是作为一个长老会教徒长大的,犹太教和基督教的理论是宇宙有一个起源。所以我脑子里有两个相互矛盾的观点,要么宇宙有开端,要么没有,没有“如果”、“手”或“但是”关于这个或那个。但你看,多元宇宙的观点允许你把这两幅图结合在一起。我们的宇宙有一个开端,我们的宇宙确实有一个大爆炸,让一切开始运动,但你看,它膨胀成什么?孩子们会问这个问题。如果宇宙在膨胀,它会膨胀成什么,如果这个理论是正确的?然后引用"上帝的思想"是11维超空间,我们的泡泡扩展到一个更大的维度,11维超空间。所以我们现在可以把它和佛教结合起来。什么是涅槃? Nirvana, this timelessness into which the universe expands is 11 dimensional hyperspace. And that's what I work on professionally.

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