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編織宇宙的三角形所有人都逃不過宇宙中的這4種力

編織宇宙的三角形

在浩瀚的宇宙中,有一顆行將就木的恆星。在發出黯淡紅光的虛胖外殼之下,它猶如洋蔥般被層層包裹,而最深處核心中的燃料早已消耗殆盡,再也釋放不出任何能量。當外殼失去支撐後,會被恆星引力拉向核心,坍縮開始了。

最壯麗的景象

也許,這樣的情節在宇宙中隨時隨地都在發生著。不過,今天我們要說的故事卻比較特別。

坍縮開始後,由鐵組成的高密度內核不堪重負,電子被壓進了原子核中。在弱相互作用力的影響下,電子與質子結合變成中子,隨即釋放出中微子。內核也因此被壓縮成一顆由中子構成的中子星,

而多餘的能量則被轉化為高能粒子,形成一道道向外噴發的激波,衝擊著向內坍縮的外層。兩者的撞擊,迸發出了足以摧毀整個恆星的力量,而外層則被吹散到了星際太空,散發出媲美千億個太陽的光芒。

在這個過程中,由核反應產生的中子、質子和α粒子,克服了電磁斥力,射進了形形色色的原子核中,在強相互作用力下,融合為更大更重的原子核,並為生命的誕生提供了基礎的「材料」。

這就是超新星爆發——宇宙中最壯麗的景象。不過,這場演出的演員只有4個:引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。

第四種力

其實,這世上所有的現象,也都是由這四種力合力出演的。

蘋果落地、瀑布激揚、漣漪波動……我們在生活中最常察覺到的就是引力,但引力又是其中最難以捉摸的。引力之外的三種力,物理學家通過數百年的研究、完善,都已經發展出近乎完美的理論,並揭示出了它們量子化的本質。而這些理論又能解釋許許多多的實驗現象。

直到目前,愛因斯坦的廣義相對論仍是關於引力最好的理論。

可即便如此,數十年來,物理學家絞盡腦汁,還是無法將它與描述其餘三種力的量子場論融合起來。這也是當今物理學界最引人注目的難題:如何將廣義相對論量子化。

不過,廣義相對論還告訴我們,引力不過是時空的反映,要想將它量子化,最簡單,也是最自然的想法就是建立一個量子時空的模型。

平面上的引力

眾所周知,我們的時空有四維——三維太空和一維時間。不過,要一下建立起四維的量子時空顯然太過困難,那我們不妨從簡單處著手——物理學家將目光投向了二維太空。

想要建立量子時空,第一步先得把時空分割成一個個很小的單元,也就是「時空量子」。

不過,量子力學有一個明顯的特點——不確定性。因此在最小的普朗克長度之下,只有概率分布的存在。

所以,時空量子的分割方式必然也必須是概率性的,而量子時空在本質上也必然不是一個確定的實體,而是一個不停變化的概率模型。這就成了概率學家大顯身手的舞台,那我們又該如何與引力共舞呢?

最簡單的想法,當然就是將二維平面分割成一個個小三角形,即平面的三角形剖分。由於時空無限,因此這樣的剖分也必定包含著無數的小三角形。同時,因為量子力學的不確定性,不同分割方式出現的概率也應當相等。

不過,既然有無限個小三角形,分割方式也有無限種,那麼我們又該如何確保它們出現的概率相等呢?偉大的概率學家先以給定個數的三角形為基礎考慮問題。假設這時的剖分有限,那我們自然可以給它們賦予相同的概率。隨後,讓三角形的個數趨向無限。我們可以證明,在某種意義上,這些三角形剖分的概率分布會趨於某個連續的極限。概率學家將這個極限稱為「一致無限三角形剖分」,簡稱UIPT,這正是物理學家夢寐以求的模型。

概率學家發現,UIPT擁有很多有趣的性質。它擁有某種分形結構——如果將它的一部分適當放大,會得到與原來相似的三角形部分,我們甚至可以計算出它的分形維度。不過,這也僅僅是相似而已,畢竟如果我們任取一部分,其中也必然會包含有限個小三角形。但事實上,原本的UIPT擁有無限個三角形。可與此相對的是,即使是在很小的區域,其中也可能包含著數量龐大的小三角形。因此,如果我們將UIPT畫成球狀,它就會像是一隻刺蝟,而它凸出來的「刺」實際上就是這些三角形密集的地方。

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