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引力波证明了智能方程的威力

        物理学产生的新闻通常不会使主流媒体偏离政治、犯罪和体育。但是,现在,在四年的时间里,物理学家已经两次提高了谷歌新闻列表的智力含量:2012年发现了希格斯玻色子,现在又发现了时空振动,即所谓的引力波。
        希格斯玻色子的发现支撑了粒子物理学的标准模型,这是理解超微小科学的数学框架。引力波巩固了阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的崇高地位,广义相对论是一种统治整个宇宙的数学。
        物理学家认为这两项发现都是伟大的成就。证实希格斯玻色子的存在,证实了科学对自然界基本粒子为何具有质量的偏爱解释。引力波(或者仅仅是引力波)证实了黑洞的存在,特别是证实了黑洞有时会配对,相互旋转,然后在灾难性的爆炸中合并。去年9月,位于路易斯安那州和华盛顿州的两个先进的LIGO天文台首次直接探测到了引力波。正如加州理工学院物理学家基普·索恩在2月11日宣布这一发现的新闻发布会上所解释的那样,在短暂的时间内,那次爆炸产生的能量是宇宙中所有恒星能量总和的50多倍。
        在某种程度上,希格斯玻色子和重力波都不应该特别令人惊讶。几乎所有的物理学家都坚信,希格斯玻色子必须存在(否则,他们的职业生涯就会一直相信虚假的数学)。没有人真正怀疑爱因斯坦关于引力波的理论是正确的(或者更准确地说,他的广义相对论预测引力波的存在是正确的——爱因斯坦曾经有过怀疑的时候)。但从更深层次的意义上说,这两项发现都有一个共同点,反映出一种更令人震惊的认识:人类大脑能够识别物理现实中深藏不露的特征。
        对于希格斯粒子和引力波来说,真正的发现需要巨大的物理仪器,而且造价不菲。但在这两种情况下,这种奇异现象存在的想法都来自人类的脑力——用铅笔和纸来解读数学符号的物理意义。随机实验不可能偶然发现这些现象;检测它们需要显式搜索。实验主义者知道在哪里(以及如何)进行搜索,只是因为人类的大脑能够看到隐藏在数学中的意义,从而绘制出路线图。
        想想。彼得·希格斯通过思考一些复杂方程的结果,推断出一种新粒子的存在。他甚至没有考虑粒子的可能性。但他的论文提出的方程被拒绝(评论家说这只是数学没有太多物理)。所以希格斯又看了一遍方程式,发现它们暗示着现在以他命名的粒子的存在。不知何故,他的数学知道了一些以前没有人怀疑的关于宇宙的事情。
        爱因斯坦以同样的方式发现,广义相对论的数学中包含的物理成分比他最初所知道的要多得多。经过多年的努力,他拼凑出了描述引力的方程式,解释了水星奇怪的轨道,并准确地预测了恒星光线在太阳附近的弯曲。但过了一会儿,他又重新审视他的方程式,发现其中包含了一个惊喜:时空结构中的涟漪会将信息传送到整个宇宙。但他想,它们太脆弱了,人类根本察觉不到。
        后来,爱因斯坦对自己的数学失去了信心。在20世纪30年代,他试图证明引力波根本不存在。他和一个合作者准备了一篇论文,试图证明它们是数学上的幻影,而不是具有物理效应的真实现象。但分析中出现了错误,把那篇论文给毁了。引力波仍然是广义相对论的一个推论。它们存在于数学中,也存在于宇宙中。
        纵观物理学的历史,我们会发现更多的例子,证明数学揭示现实秘密的力量。(我曾经写过一本关于他们的书。)例如,广义相对论提供了比引力波更多的惊喜。黑洞、引力透镜,甚至在某种程度上,宇宙的膨胀,都是在任何天文学家观察到它们之前,从爱因斯坦的方程式中出现的。夸克是质子和中子的组成部分,在粒子加速器中出现夸克存在的证据之前,它就出现在了默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)的数学中。反物质,科幻小说未来的燃料,在实验主义者注意到cosmi中的反粒子之前,就已经在保罗·狄拉克的数学头脑中成为了科学事实


发表时间:2019-06-27

作者:易智编译

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