为什么说没有引力子的物理学是残缺的?
这个问题比较复杂,需要从头到尾把整个物理逻辑捋明白才有可能说得比较清楚。
1.引力是最先被发现的基本相互作用,当时牛顿是无法解释引力的本质的,在牛顿的理论里实际上隐含了引力是“超距作用”。
2.马赫应该是第一个明确质疑“超距作用“的人,随着物理学的发展,麦克斯韦证明了电磁相互作用是通过电场来传递的,主流物理学界普遍反对超距作用。
3.20世纪量子力学大论战中,爱因斯坦、波尔、哥德尔、贝尔等物理学家基本证明了物理定律必须满足完备性和局域性,超距作用因为违反局域性,被彻底否定。
4.随着四大相互作用全部被发现,物理学家们试图建立标准模型。标准模型认为四大基本相互作用都是通过在各自的力场中交换作用子产生的,其中电磁相互作用对应光子,强相互作用对应胶子,弱相互作用对应w玻色子和z玻色子。引力相互作用也应该对应一种交换子,但是实验上没有找到,理论上也没有彻底搞清楚,只取了个名字——引力子。
5.所谓“交换子”,实际上是把场量子化的产物,前三种力场的容易处理,物理学家们都通过群论的数学手段顺利把它们量子化,其中电磁场对应u(2)群 强力对应su(2)群,弱力场对应一个su(2)和u(2)外积的群。唯独引力场是个钉子户,其量子化极其艰难,至今尚未实现。因此,引力子到底是个啥东西,理论上都是不清楚的,实验探测那更是不可能。
综上所述,所谓标准模型,本质上就是把四大力场量子化,而缺失引力子也就是说引力场还没有完成量子化,因此标准模型自然是残缺的。
实际上,如果引力场一直无法成功量子化或者证明根本不能量子化,那标准模型就不仅仅是残缺了,而是宣告直接破产。
引力场量子化还有很长的路要走,物理学研究者者们任重道远。
引力子是客观存在的,之所以找不到引力子,是因为在找的过程中,与引力子建立联系的就是引力子自身,都表现为重力了。
相对论的立论基础是什么?
麦克斯韦方程组可以推导出光速C是一个不变的基本物理常数 :
这个公式揭示了光速不变原理:无论相对谁,在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是不变的。
这在牛顿的经典体系中是不可能的,在牛顿的经典体系里,速度都是相对的,需要参考系,没有参考系谈速度都是耍流氓。 那在真空中不变的光速,是相对什么而言?
假如在地球上观测从相当于1/10光速的飞船上发射一束光,那束光相当于地球观测点的速度不是应该是C+1/10C =1.1C ?
为解决这一矛盾, 短命的“以太假说”就出世了, 相对性原理被扔在一边,认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系(以太)成立。
悲惨的“以太假说”还没好好看这个世界两眼,就被一朵乌云杀死了,这就是著名的物理大厦的第一朵乌云——迈克耳孙-莫雷实验。
经典物理学在这个著名实验面前,真是乌云盖顶,科学家一筹莫展,已经完全搞不定了,这时候,上帝让一个走后门托关系才进入瑞士专利局的学渣来救场。
作为学渣,小爱同学没有什么历史包袱,敢想敢干,作为专利局的小职员,和学术性基本隔绝, 所以那些物理学家唠唠叨叨的假说,他基本听不见,而且这时候,他还很年轻,思维很前卫。
小爱同学认为光速不变没什么难以理解的,伟大的麦克斯韦方程推导出的结论还能有错?更何况很多实验都证明了光速不变。
于是小爱同学直接把光速不变当成公设:1.光速不变,与光源和观察者的运动状态无关;2.在所有惯性系中,物理定律都一样 (即惯性系平权原理)。
别看这两条公设简单,就在这么简单的基础上,伟大的狭义相对论就诞生了,这是一种全新的时空观(相对论时空观),颠覆了19世纪以前所有人类的认知。
所以如果你不懂相对论, 那你的世界观是很有问题的,懂与不懂,就决定了你是生活在哪个世界中的生物。
(狭义相对论用到的数学,也就基本相当于大学本科的水平,包括洛伦兹变换和简单的微积分。有兴趣的童鞋可以去看看推导过程,其实不会比你们参加过的高考更难。)
在简单的公设和枯燥的数学推导后,非常精彩的结论就出来了,记住,这些推论不是拍脑袋想出来的,而是精确的数学推导出来的。只要光速不变没有被推翻,就算冯诺依曼和希尔伯特来了,也只能承认这些颠覆你世界观的结论。
一是运动物体在其运动方向会表现出长度收缩,这就是著名的尺缩。也就是说,在我们眼中,奔跑中的尤塞恩·博尔特是变瘦了的,所以根据相对论,要减肥,真的只能靠运动啊。
二是运动物体会经历时间膨胀,一个运动中的钟表要比静止的同样钟表走得慢。这个就是著名的钟慢。也就是说,奔跑中的博尔特比不跑是变年轻了,所以,要想年轻点,就得动起来。那些大师以千年王八万年龟为例子宣称养生要懒靠静的,肯定没学过相对论。
根据钟慢效应,有个很有趣的思想实验,就是孪生子佯谬:
有一对双生兄弟,一个登上一艘宇宙飞船作远程太空旅行,而另一个则留在地球。从相对地球静止的参考系上看,当旅行者回到地球后,我们发现他比留在地球的兄弟更年轻。但是从相对飞船静止的参考系上看,我们发现他年纪更大。
这很矛盾是吧?
佯谬产生的原因是狭义相对论的时间膨胀原理仅仅对于惯性参考系成立。 而旅行者要想返回, 必然至少有一次加速过程。 根据广义相对论,加速过程中的惯性力与引力等同, 而引力恰恰能够导致时间膨胀。(广义相对论可以解释为什么旅行者必然会有时间膨胀,真正的计算并不必须依赖广义相对论。)
所以最终的结果就是,旅行者会较之留守者年轻。
钟慢效应,孪生子效应,已经在1971年由科学家利用原子钟绕地球一圈证实。