二象性带来的新的物理学

时间:2023-11-20 04:29:02

斯蒂芬·亚历山大(Stephon H.Alexander):

美国哈弗福德学院物理学副教授。

阿曼达·格夫特(Amanda Gefter):

《新科学家》杂志书籍和艺术版主编,文化实验室创始人、主编。

二象性带来的新的物理学

我曾一直对纽约东北部的布朗克斯区里的一个街区抱有疑惧,这一次我却满面微笑前往,因为字典里的某个新词能唬住那里的小流氓——“二象性”!当我走到东225号街的2号站台时,小流氓们正等着我。我说:“嘿!你们知道什么是二象性吗?”没想到他们上前拥抱了我,并跟我狠狠地击了掌。然后,我就成功返程了。

在物理学中,二象性是最美妙却被低估了的概念之一,它让我们能从两个角度来描述同一种物理现象,我们常常需要灵光一闪来发现这两个角度。但是,二象性的能量远非对同一事件的重复表述,因为那没有必要在物理中用很多例子证明,单一的角度是没法抓住事物的本质的,某种“之外”的特征会“突然出现”。在这里,我将用两个例子来阐释“突现属性”,并在最后进行总结。

我们最熟悉的是量子力学中的“波粒二象性”,这让光子(和电子)才能完美解释原子物理和化学的结合。波粒二象性认为物质(如电子)既有波的特质也有粒子的特质,神奇的是量子力学是如何体现波粒二象性的。根据哥本哈根学派的传统解释,波是一种行波振荡,所以电子可以在其中作为粒子存在。

在量子隧穿的例子中,生命会变得很奇怪。在量子隧穿中,电子因为其波性特质可以穿过障碍物。经典物理学告诉我们,当一个物体动能小于障碍物的势能时,物体是无法穿过障碍物的(如一座山)。但量子力学预测粒子可以穿过(或隧穿)障碍物,哪怕它的动能小于障碍物的势能,这也是你为什么可以使用U盘和CD播放器的原因。

大多数人都认为金属中的电子传导是经典物理学的重要成就。如果进行更深入的思考,我们就会发现这种传导的发生就是因为电子的波性特质。我们称电子穿过周期性晶格金属的运动为布洛赫波。当电子的布洛赫波出现建设性的干扰就会出现导电现象。而且,波粒二象性带我们预测了超导性:电子(或夸克等)是如何实现无电阻导电的?

在目前的量子引力理论与相对论宇宙学研究中,理论学家们正在用另一种二象性来解释那些未知的问题。全息二象性这一先锋理论是由伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)和杰勒德特·胡夫特(Gerard’t Hooft)提出的,后来由胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)发展为AdS-CFT对偶(Anti-de Sitter-Conformal Field Theory,反德西特空间-共形场论对偶)。这种理论一方面通过一般的引力理论(爱因斯坦广义相对论的加强版)描述了量子引力现象,另一方面也通过更低时空维度的非引力物理学对量子引力进行了双重描述。虽然已经有了波粒二象性,我们还是要继续探求这种二象性带来的新的物理学。

全息理论似乎对量子引力坚持另一种解释,比如:圈量子引力。研究者也在坚持弄清全息理论背后的真正意义,以及这些实验的潜在预测。

二象性使得我们能够超越单一分析角度去理解并利用物理属性。我们是否可以期待,某一天二象性将会超越物理的范畴而进入其他领域?时间的双重性将告诉我们一切。

二象性带来的新的物理学

这是近代物理学最奇怪的概念之一,它将两个截然不同的世界融合到了一起,它们有着不同的维度数、时空几何和物质基础。20年前,我们会毫不犹豫地说这是两个完全迥异且相互排斥的世界。但是到了今天,我们还有别的选择:两种完全不同的理论可以并存,也就是说,它们可能是潜在本质的两种不同表现形式。

二象性这一概念出现的时候完全是反直觉的,但是物理世界充斥着二象性。当物理学家试图统一量子理论和引力理论时,他们发现有五种不同但同样有效的弦理论。这是一种尴尬的多产,毕竟每个人都希望有一种“万物普适理论”,而不是五种。但是,二象性被证明是解释事物本质的关键因素。值得一提的是,这五种弦理论最终都被证明是互容的,是对单一理论的不同表达。

最为激进的二象性理论可能是理论物理学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)在1997年发现的。马尔达西那发现五大维度的怪形宇宙中的一种弦理论在数学上与一般粒子的量子理论(适用于宇宙的四维边界)具有二象性。有人可能会说,世界是由粒子组成的或是由弦组成的。二象性让互相排斥的假设都变成了真理。

在日常语言中,“二象性”还有其他含义,它意味着明显的二分:男性和女性、东方和西方、光明和黑暗。但是,物理学领域的二象性概念提供了强大的新含义,让我们快速深刻地理解同时正确的两种不同事物。因为我们的文化话语正在不断地单极化,所以二象性的概念比以往更加陌生但更有必要。在我们的日常认知工具中,二象性能让我们摆脱典型的布尔逻辑、二值、零和思维,在这些逻辑和思维中,对错分明,没有共存一说。有了二象性,我们就有了第三种选择:可能我是对的,你是错的;也可能你是对的,我是错的;或者还有可能,我们的观点是二象性的。

这不是说我们会陷入一种相对主义,也不是说不存在单一的真理。而是说,真理比我们曾经以为的更为微妙,它会以多种形式出现,如果我们通过多种形态来理解它的话。