低維宇宙究竟是怎麼樣的?太陽和地球之間的引力突然消失,我們過多久才會衝出銀河系?丨黑洞戰爭 14丨AC茂的模

常玩MOBA遊戲的同學應該知道
想要打贏一場遊戲
最重要的是佔領對方的高地
如果說量子派的高地是量子場論的話
那麼相對論派的高地就是管相對論了
所以這期我們就不聊這兩個理論
說說引力全息原理以及額外維度
關鍵提示
本期視頻完全沒有用到閒論
閒論過敏者可放心使用
引力在很多方面都與電磁力極爲相似
帶電粒子間的力學規律被稱爲庫侖定律
而引力規律被稱爲牛頓定律
電磁力和引力都遵循平方反比率
也就是說這兩種力的強度都與距離的平方成反比
如果粒子間的距離增加一倍
其間的力將變爲四分之一
距離變爲三倍
那麼力將變爲九分之一
距離變爲四倍
力將變爲十六分之一
以此類推
兩個粒子間的庫侖力
這些都是電磁力和引力的相似之處
但是它們仍有不同
電磁力有一個引力不具備的特點
那就是同性相斥
異性相吸
而引力只能讓兩個物體相互吸引
好在這兩種類型的力都可以產生波
想象有兩個相隔很遠的帶電粒子
如果突然移動其中一個
那麼這兩者之間的力會發生什麼變化呢
你可能會認爲
當第一個粒子移動後
作用在第二個粒子上的力將瞬間變化
如果一個作用在遙遠電荷上的力
確實是瞬時變化的
沒有任何延遲
那麼我們可以利用這個效應
給空間中遙遠的區域發送瞬時信息
這就會破壞狹義相對論
因爲沒有信息能超光速傳遞
實際情況是
當一個臨近的粒子突然移動時
作用在遙遠的粒子上的力
並不是瞬時改變的
一個擾動從這個被移動的粒子
以光速傳播出去
只有當擾動到達那個遙遠粒子的時候
作用在該粒子上的力纔會改變
這個傳播出去的擾動
類似於一個震盪的波
當這個波最終到達時
它搖動了第二個粒子
如果換成引力
情況是類似的
舉一個極端點的例子
如果太陽突然消失了
在八分鐘內是不會被地球所感知的
這個也就是光在兩者間傳播的速度
這個信息以一種曲率聯引
也叫引力波的方式傳遞
引力波的傳播速度與光速相同
質量對引力波所起的作用
和電荷對電磁波一樣
這些都是經典物理部分的內容
接下來我們再加入一些量子力學的知識
我們知道震盪的電磁波
其能量是以一種不可分割的量子方式出現的
這種量子被稱爲光子
普朗克和愛因斯坦都認爲
那麼相同的論證應該也可以運用在引力波上
引力場的量子就被稱爲引力子
光子和引力子間的相似性
導致了一些有趣的問題
在量子場論中
電磁輻射用一個腳點圖解釋
圖中一個諸如電子那樣的帶電粒子發射一個光子
當粒子發射光子的時候會產生電磁波
同理
我們可以很自然的想到
當粒子發射引力子時會產生引力波
一切物質都受到引力的作用
因此所有的粒子都必定有能力發射引力子
甚至一個引力子也可以發射一個引力子
遺憾的是
近半個世紀以來
理論物理學家們嘗試構建的所有包含引力子的量子場論均宣告失敗
而失敗的主要原因就在於重振化問題
或者說數學上的無窮大
一個無限可分的空間
連續筒的問題在於
最小的距離上面依然可存有巨大的量
但實際上一個連續筒並沒有最小距離
在你細胞越變越小的無限迴歸之中
你也就隨之消失
這種情況可以在任何一個層面發生
換句話說
一個連續筒可以在空間每一個微小的體積中
蘊藏無窮多比特的信息
不論這個體積多麼小
同樣的
量子力學關於無窮小的問題也特別棘手
在那裏任何可以晃動的東西都在晃動
而且每一件未被禁止的事情都是必定發生的
甚至在絕對零度的空無一物的空間中
如電磁場等各種場都在晃動
這些晃動在每一個尺度上發生
從最大波長爲幾十億光年
一直到一個不超過數學上一個點的尺度
量子場的這種晃動
可以在每一個微小的體積中
把無窮多的
無限小的空間單元中的所有擾動
集合成一個自洽的宇宙
並不是一件容易的事情
也因此
大部分量子場論的版本都是古怪的
甚至粒子物理標準模型的最終分析
可能在數學上也是不自洽的
但這些困難都不足以與
建立隱祕的量子場論所遇到的困難相比
在把廣義相對論和量子力學結合的嘗試中
根據量子場論的規則
人們必定會發現
時空的形狀一直不斷地在變化
如果能夠放大一個極小的空間區域
那麼你可以看到空間在劇烈地抖動
而且你放大的倍數越高
那些擾動就更劇烈
每一種想要了解引力量子場論的嘗試
都會導致同樣的結論
在這個最小尺度上發生了太多的事情
如果對引力應用量子場論的那些傳統方法
必然將導致數學上的失敗
對於這個由空間的無限可分性而造成的災難
物理學家們有一種方法可以將其消除
他們假設空間不是一個真正的連續筒
如果你不斷地分割空間直至某一個點時
你很可能會發現分不下去了
這種分割的極限叫做截斷
用一句人話概括就是
一個截斷無非就是把空間分割爲不可再分的體像素
且不允許每個體像素上儲存超過一個比特的信息
截斷看起來像是一種逃避
但是事出有因
經過長時間的思考後
物理學家們認爲普朗克長度是空間的終極像素
這一點我曾在統一之路系列第19期
用馬特韋的思想實驗論證過
宇宙存在最小像素這一點幾乎是所有人對它的期待
在普朗克尺度上
它有一個不可分的顆粒狀的體像素結構
這也是量子理學的
能量是以離散的不可分割的單元增加的這一原理的推論
從一個能量值到另一個能量值
只可能以量子躍遷的形式來跨越這個能級臺階
能量階梯的底層被稱爲基態
加入一個單元能量得到的是第一激發態
再邁一個能級就是第二激發態
如此等等
通常的基本粒子
如電子和光子
都是處於階梯的最底層
它們只能以量子零點運動的形式振動
但是這些都是在發現全息原理之前
在全息原理出現後
人們意識到量子場輪的階段版本
或者體像素版本和一個面像素版本的宇宙是等價的
全息原理相當於給三維的世界扔了一個二項鉢
這一原理揭示出
高維的時空竟然可以用比它更低的維度來描述
這是反常識的
因爲我們通常會認爲高維比低維更復雜
我們來研究一個額外維的最簡單形式
想象一個只有一維的宇宙
我們就稱之爲現宇宙吧
在現宇宙上確定一個點的位置
僅需要一個座標
居住在那上面的點人
我們就叫它X吧
爲了使現宇宙更有趣一些
我們需要增加一些物體
假定它們是一些沿着線移動的點
它們可以結合在一起形成一維的原子
分子
甚至是活的生命體
但是現宇宙和上面的點生命都是無窮細的
一維生物的生活所受的侷限非常大
只能沿着線運動
那它們能交流嗎
也是可以的
交流的本質就是信息的傳遞嘛
所以現宇宙的點生命可以把信息傳遞給它們相鄰的點生命
但是它們的社交生活非常的枯燥
每一個生物只有兩個熟人
一個是它右邊的
一個是它左邊的
因此如果要形成一個社交圈
至少需要一個二維的宇宙
現在假設這個現宇宙的線並不是無窮細的
那麼它就不再是一個一維宇宙
而是一個二維宇宙
因爲它的截面就變成了一個圓柱面
在這種情況下
剛纔說的那種點生物其實是面生物
但是它們對於圓柱宇宙來說實在太大了
大到它們完全佔滿了整個圓柱面
因此它們無法知道還有一個額外維度的存在
而如果有比圓柱面小很多的生物存在的話
那它們就會發現這個宇宙有兩個維度
它們可以沿着圓柱面的柱長方向移動
也可以在圓柱面上移動
這是兩個不同的方向
它們也不像那些一維大個兒那樣
只能有一左一右兩個朋友
因爲它們足夠小
可以彼此穿行在圓柱中
而不發生碰撞
單個額外維並不會提供很多變化的可能性
但是兩個額外維就允許了無窮多種變化的可能性
這兩個額外維可以形成一個圓
一個球面
甚至一個被稱爲克萊因平的詭異空間
這也就不展開來講了
需要注意的一點是
我們通常所說的四維
是三維空間加一維時間組成的四維時空
而不是四維空間
許多科普視頻模擬出的四維圖
也都是包括時間軸的四維時空圖
而不是四維空間圖
我們並沒有辦法想象出真實的四維空間的物理面貌
並把它們模擬出來
只能在數學上通過增加座標來計算
時長原因這期就先說這麼多吧
感謝大家的觀看
下期見