时间旅行指南-第4章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


在规定的量子力学的自然描述中，运用其他自然力正确定义重力。同时，毫无疑问，在人类思想启蒙的源头，量子力学是最成功的物理理论。
　　　　超弦理论和大统一理论
　　　　在理论物理中，超弦理论是一种数学建模，描述了非常短的基本粒子（大约10^（…35）米），即一维弦，而不是作为零维的点。这些弦被想象成可以扭曲、循环、合并以及分开。这些弦也被假设为存在在四个维度以上的空间内，并且还有其他的维度蜷缩在狭小的空间内。超弦理论被认为是非常投机的，没有得到认可，但是，对于范例的正确预测给了人希望，它也许最终能成为有关粒子和力量的独立理论。
　　　　在理论物理中，大统一理论（GUTs）尝试描述三种自然界的基础力，即作为一个单一的互动的单方面的强弱电磁力。大统一理论也描述了夸克和轻粒子关系的两个基本成分，它们表现为一个亚原子粒子的单一类型。
　　　　根据现有的定理，亚原子粒子之间的力是因为发射传输的途径和矢量玻色子的吸收形成的，这个粒子是一个单位的内在角动力。这些理论用于数学化的结构，被称为规范角动力，来描述这些基础相互作用。强弱电磁相互作用主要根据它们的力度来区分，如通过他们玻色子的一部分能量和玻色子可能释放出的能量进行测量。为了减少力度，个别的玻色子为胶子（强力的）、光子（电磁力的）以及W和Z粒子（弱力的）。
　　　　在大统一理论中，这些基础力量之间的差别可能是，在一个相对低能量的环境下，观察到的那些粒子的事实结果。如果粒子能够在非常大的能量下观察到，这三种相互作用将会有相等的力量。另外，夸克和轻粒子在这种条件下也会做相似的运动。在规定的期望值下，约10^（14）GeV（电子伏特），能量将会比现今的实验的能量高出一万亿倍。即使这种高能量的过程永远不可能在实验室中检测到，但是在原始宇宙中，比如宇宙大爆炸后的一秒内产生的能量，足够让所有粒子按照大一统理论所描述的那种方式运动。
　　　　一个令人意想不到的对与大一统理论的预测是，一个新的相互作用将产生，包括那些剩余能量有10^（14）电子伏特的矢量玻色子。这些相互作用能让三个夸克转变为一个轻子——包含了质子的衰变和由中子进入轻子。结果是，这样的衰变将会持续一个质子的寿命，即10^（31）电源年的时间，而且也有证据证明这会推到一个长期存有的概念，即质子将会长期稳定地存在。侦测那些很难发现的质子衰变的实验设计将会出现，但是还没有结论性的证据出来。
　　　　尽管大统一理论的有效性还没有得到认定，但是物理学家正在尝试把四种能量连接起来，即重力（它的玻色子和引力）以及其他三种能量，这被称作超对称理论。
　　　　物理理论中的对称性
　　　　在物理学中，如果一个系统在指定的操作中被认为不可变的话，那么它会呈现出一种对称性。如一个球在围绕它中心的任何方向旋转时，它看起来是一样的。这种情况下，这个球就被称为拥有球对称性。这种对称性在理解多种多样的物理现象中起到基础作用。在初级电子物理学中占有重要地位，但是起内在本质尚待研究。对称性的特征在于，即使没有内部作用的相关知识，根据其对称性，一个系统的许多方面是可以被预测的。
　　　　一个时光机器的发明者通过把一只家猫送到时间旅行中证明了此理论。来自雷？帕默尔（Ray　Palmer）发表在《奇异故事》（Wonder　Stories）上的《时空惨案》（The　Time　Tragedy）中的图解（1934年12月）。帕默尔之后成了《奇异故事》的编辑。这是一本从小事着手，并最终扩展到“命运”层次的杂志。其中讲述了许多时间旅行者的“真实”故事，以及其他超自然现象。
　　　　所有的对称性都可以分成两类，离散的和连续的。对于离散的对称，只有一个明确的运算能得到相同的物理形态：举个例子来说，就是在纸上画的一个正方形有一个离散对称，那是因为它有四条线，当它沿着一条垂直于纸平面的轴线旋转时，只在特定的位置看起来没有改变。但是，当在纸上画的圆在绕着垂直于纸的轴线旋转时，任何时候看起来是没有变化的。因此，圆展示了一个连续旋转的对称。
　　　　汤普森的时间旅行理论
　　　　此图解释了马尔科姆？史密斯（Malcolm　Smith）在雷？帕默尔的《奇异故事》中讲的《汤普森的时间旅行理论》（Thompson’S　Time　Traveling　Theory）的故事（1944）。在这个故事中，一个时光机器的发明者做了一个所谓的一个人回到过去，杀死了自己的祖父的祖父的悖论实验。
　　　　一个类空和类时世界的光椎图示（那金之后，1993）。
　　　　其他的一些有关连续对称的例子是时空的转化和旋转。前者指的是，就自然法则而言，在空间和时间上所有的点都是等价的。后者指的是在空间（空间的各向同性）各个方向都是等价的。离散对称的两个重要例子就是空间反演和时间反演不变性。一些自然法则在微小的反演和逆转的时间方向下是不会改变的。
　　　　守恒定律陈述了一个系统里的某些物理参数在时间进化过程中的不变性。例如，在经典物理学中（非相对论性的），一个系统的总质量在碰撞之前和之后都是固定不变的（质量守恒定律）。类似的，线动量和角动量以及一个系统的总动量在相对论性和非相对论性中都遵守守恒定律。
　　　　由于物理学上的拉格朗日表达式的出现，守恒定律的存在也和基本物理定律对称有关。例如，线动量的守恒是在空间转变下或者空间均一性下拉格朗日不变式的直接结果。角动量的守恒是旋转不变式的一个结果。在空间反演下的对称形成了同位一致性。
　　　　为了找出守恒定律的本质，我们需要研究在系统中力的性质和相关的对称性。因为所有的力都来自于其潜在的能量，所以通过潜在的能量来找出守恒定律的本质是可能的。比如，地球和太阳通过力的作用相互吸引，而这个力只是取决于这两者的距离而非它们的方向（一个中心力）。力的定律是不变的，因此可以得出角动量守恒。因为角动量的方向是垂直于旋转的平面的，因此地球和太阳永远固定在同一平面上。所以说，任意的两个物体之间都有一个中心力相互作用。
　　　　对称性仅限于某些最终的状态，一旦原始状态受到影响，反过来，也就暗示着最终状态在表面上是被禁止的。支配这种转变的定律被学术界称为选择性定律，这种定律在原子系统的研究中非常重要。
　　　　内在的对称和时空
　　　　目前为止，对称性的讨论涉及空间或者时间，或者两者同时涉及。某些对称性存在于“对称操作”把物质的一种状态改变成另一种状态时。比如，我们知道，在原子核中，同样的力存在于质子…质子，质子…中子和中子…中子中，这也就是说，在质子和中子中存在着一种物质的对称。在一个想象的“空间”中，质子和中子来自两个假设的方向，在一定空间的任意旋转不会影响原子核的稳定，这种特性被称为同位对称。在这样一个空间中包含的其他粒子形成了更高等的幺正对称性。内部对称的其他例子有电荷、重子数等等。这些内部的对称性基于一个虚拟的内部空间。
　　　　内部对称可在任一时空点上以相同或者不同的方式存在。人们把后一种情形称作规范对称性。在20世纪60年代，理论家把规范对称性应用于弱力和电磁力中。他们认为“自发对称性破坏”在理论上有着完美的对称性，然而在物理表现中却无法体现这一完美对称性。结果就是产生了一个包含两个力的弱电理论的单一数学模型。
　　　　我们所知的是，空间是由不同的维度构成的，而时间在这些维度中并不是以同样的方式存在。理论上讲，可以通过处理多维空间来穿越时间隧道。难以置信地是，物理学告诉我们，所有的东西都是通过不同的场进行内在连接的：引力场、电场、磁场、原子结构的弱力以及时间。时空旅行在理论上毫无障碍，甚至可以说，时空旅行和时空异常是整个宇宙的构成部分之一。
　　　　…
　　　　本章中的材料大多数来自于《葛罗里百科全书》（The　Grolier　Multimedia　Encyclopedia），参考文献如下：重力学参考文献：
　　　　伯格曼？P。G。的《引力之谜》（Bergmann。P。G。，The　Riddle　of　Gravitation，1968），霍金？S。W和以色列？W的《三百年万有引力史》（Hawking。S。W　&　Israel？W，Three　Hundred　Years　of　Gravitation，1987年初版，1989年再版），马修斯等编辑的《万有引力，量子场和超弦理论》（Mathe　Fields　and　Superstrings，1988），米斯纳？查尔斯等编著的《万有引力》（Misner　Charles，Gravitation，1973），国家研究委员会出版的《万有引力，宇宙论和宇宙射线物理》，（Gravitation，Cosmology　and　Cosmic…Ray　Physics，1986），索恩？K。S的《引力辐射》（Thorne　K。S，Gravitational　Radiation，1989），安东尼的《一个老人的玩具》（Anthony，An　Old　Man's　Toy，1989）。
　　　　相对论文献：
　　　　阿维尼？A的《时间帝国：日历，时钟和文化》（Aveni。A，Emipres　of　Time：Calendars，Clocks　and　Cultures，1989），柯文尼？P和海菲尔德？R的《时间之箭》（Coveney。P，Highfield。R。，The　Arrow　of　Time，1991），柯恩？H。J的《时间及其测量：从石器时代到原子能时代》（Cowan？H。J，Time　and　Its　Measurement：Form　the　Stone　Age　to　the　Nuclear　Age，1958），戴维斯？p的《有关时间：爱因斯坦未完成的革命》（Davies。P，About　Time：Einstein's　Unifnished　Revolution，1995），埃尔顿？L。R。B的《时间和人类》（Elton。L。R。B，Time　and　Man，1987），弗拉德？R和洛克韦德？M合著的《时间的本质》（Flood。R，Lockwood。M，The　Nature　of　Time，1987），弗雷泽？J。T的《时间的发生及演变》（Fraser。J。T，The　Genesis　and　Evolution　of　Time，1982），豪斯？D的《格林尼治时和经度的发现》（Howse。D，Greenwich　Time　and　the　Discovery　of　the　Longitude，1980），科普契恩斯基？W和特劳特曼？A的《空间，时间以及万有引力》（Kopczynski。W，Trautman。A，Space，Time　and　Gravitation，1992），普瓦德万？罗宾和麦克白？莫里合著的《时间的哲学》（Le　Poidevin　Robin，Macbeath　Murray，The　Philosophy　of　Time，1993），欧玛莉？M的《保持警惕：美国时空史》（O'Malley。M，Keeping　Watch：A　History　of　Time　in　America，1990年初版，1991年再版），托尔敏S？V和古德菲儿德？J的《发现时间》（Toulmin。S。V，Goodfield。J，The　Discovery　of　Time，1976年初版，1982年再版），惠特罗？G。J的《时间哲学的本质》（Whitrow。G。J，The　Natural　Philosophy　of　Time，第二版，1981），安吉尔R。B的《相对论》（Angel。R。B，Relativity，1980），波恩？马克思的《爱因斯坦的相对论》（Born　Max，Einstein's　Theory　of　Relativity，修订版，1962），蔡森？埃里克的《相对论说》（Chaisson　Eric，Relativity　Speaking，1990），阿尔伯特？爱因斯坦的《相对论的意义》（The　Meaning　of　Relativity，第五版，1956），加德纳？斯坦的《对爱因斯坦相对论的认知》（Gardner　Stan，Understanding　Einstein's　Theory　of　Relativity，1991），罗素？伯特兰的《相对论基础》（Russell　Bertrand，The　ABC　of　Relativity，第三版，1969年初版，1985年再版），陶伯？G。E的《相对论》（Tauber。G。E。，Relativity，1988），威尔？柯利弗德？M的《爱因斯坦是对的吗？》（Will　Clifford。M，Was　Einstein　Right，1988）。
　　　　量子力学文献：
　　　　伯格？曼彼得？G的《相对论的入门》（Bergmann　Peter。G，Introduction　to　the　Theory　of　Relativity，1942年初版，1976年再版），德维加？H。J和桑德斯？N合著的《场论，量子引力和弦》（De　Vega。H。J，Sanders。N，Field　Theory，Quantum　Gravity，and　Strings，1986），阿尔伯特？爱因斯坦的《相对论的意义》（The　Meaning　of　Relativity，第五版，1956），汉德罗克？查尔斯的《场论及其经典问题》（Hadlock　Charles，Field　Theory　and　Its　Classical　Problems，1979），莫哈帕特拉的《统一和超对称性》（Mohapatra，