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粒子如何向我们揭示原初宇宙

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:数学家艾米·诺特于1918年证明的一条基本定理,强力支持了这一想法。通过这一设想艾米·诺特证明的是,物理学定律不随时间的推移而改变的这种不变性有一个直接推论,即守恒定律,具体到这里就是能量守恒定律。在极小的范围内和极短暂的时间内,他们其实在创造或者说重新创造与原初宇宙相同的极端物理条件。这些碰撞中出现了许多粒子,它们是对撞粒子的能量物质化后形成的。

亲爱的,我并不嫉妒你的过去。

——保尔·魏尔伦


物理学致力于研究现象背后存在的固定的、不受变化影响的关系。即使它被用在一些有历史或有变化的过程上,物理学着手描述这些过程的角度也是形状、规律、标准等独立于时间的角度。因此它希望通过不受时间控制的概念,来建造一个“不受变化影响的法规”,一个“固定的调整协议”。

物理学非如此不可吗?在讲述各种现象的历史事实时,它能不能不提独立于历史的定律?如果在带走一切的永不停歇的洪流中,没有什么是固定的,那么世界会不会仍然是可知的,不会陷入一片混乱?这样一种物理学——它的概念一上来就纳入变化或转变(devenir)——事实上并不存在,这也许是因为仅仅通过援引自身就在不断变化着的数量来说明整个变化是不可能的。让我们仔细想想:如果在发表的物理定律中出现的概念并未被假设为不变,如果这些概念随着时间的推移不停地变化,那么这些定律的地位会变成什么样呢?还能够用来描述、理解、预见不同现象么?这还是定律吗?

数学家艾米·诺特于1918年证明的一条基本定理,强力支持了这一想法(物理学非如此不可)。设想一下,例如随着时间的推移,物理学定律没有发生改变,也就是说即使我们调整了所选择的参考瞬间(测量时长的“起点”),这些定律也不会变。所有物理实验中,定律的发生并不取决于实验实现的特殊时刻:任何瞬间都与任意其他时间等值,时间本身不会转变,所以没有任何特殊瞬间能够成为其他时间的绝对参考。通过这一设想艾米·诺特证明的是,物理学定律不随时间的推移而改变的这种不变性有一个直接推论,即守恒定律,具体到这里就是能量守恒定律。

让我们来举个例子解释这个结果。想象一个情境,其中重力会根据时间发生周期性变化,例如重力在每天的中午很弱而在午夜很强。接着每天中午我们将重物搬到一座楼房的顶部,然后在午夜将它推到半空中任它自由落下。这样我们得到的能量将会比用掉的能量更高。在这种情况下,能量不再守恒了。

于是能量守恒定律有着比它通常形式更广泛的含义:它也表达了物理定律的永久性,它们不随时间变化而变化。

反对的人会说今天的宇宙一点也不像原初宇宙。的确,但事实上变化的是物理条件,而不是定律。在所有的时空点上,宇宙保存了它曾经的记忆并且能够重新演绎它最初的瞬间。因此,当物理学家在他们的高能加速器中制造非常猛烈的粒子对撞时,他们可以得到宇宙在遥远的过去中曾经发生的事情的一些线索。在极小的范围内和极短暂的时间内,他们其实在创造或者说重新创造与原初宇宙相同的极端物理条件(非常高的温度和非常高密度的能量)。这些碰撞中出现了许多粒子,它们是对撞粒子的能量物质化后形成的。这些粒子中的大多数已不再存在于宇宙中:它们太容易消逝,很快就转变成为其他更轻和更稳定的粒子,成为了今天的物质组成部分。但是根据不变的物理定律,宇宙仍然保存了重新产生那些现在它已经不再包含的物体的能力。这一点是很重要的,因为单凭它我们就能理解为什么粒子物理学家和天体物理学家会紧密合作了:今天在引起极高能量粒子对撞的同时,我们能够发现宇宙遥远过去的情况……

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