這個世界是如何運行的?
現在物理學給出了一個非常簡潔的答案,總共就三句話,
第一句話:地球上所有常見的自然現象都是由電磁力和引力驅動的。
我們都知道,總共有四種基本作用力,其中強力和弱力只在原子核裡面起作用,在地球上只有核武器、放射性或者高能物理實驗室這些極端的環境才會用到強力和弱力,其他地方都是有電磁力和引力主宰的。
我們講過生活中你見過的所有類型的力,除了重力以外,其他的力歸根結底都是電磁力,比如說,拉力、彈力、摩擦力、支持力、浮力,本質上都是電磁力。
聲音、電、磁、光、顏色、熱傳遞、化學反應,歸根到底也來源於電磁力。
風雨雷電、地震、火山爆發等所有自然現象都是在電磁力和引力的驅動下進行的,電磁力和引力的數學公式是這樣的,電磁力對應著量子電動力學公式,引力對應著廣義相對論公式。
我們初中,高中,大學學的幾乎所有的物理理論都在以上這兩個公式里。
比如說歐姆定律,浮力公式,槓桿原理,牛頓運動三大定理,麥克斯韋方程,薛丁格方程等等,通通都在這兩個公式裡面。
地球上所有物質的運動都必須嚴格遵守這兩個公式。因此地球上所有的現象都是由電磁力和引力驅動的。我們可以進一步思考一下,上次我們講過自然法則必須用嚴格的數學來描述,你說這兩個公式像不像近似簡略版的「自然法則」?
第二句話,地球上所有穩定存在的物質都是由上夸克、下夸克、電子三種基本粒子組成的,沒有其他東西,只有這三種基本粒子(才能組成穩定存在的物質)。
第三句話,對稱破缺造就了這個多姿多彩的世界。
我們都知道,物理學是化學的基礎,化學是生命科學的基礎,生命科學是社會學的基礎。
那你有沒有思考過這些學科之間是怎麼連接起來的呢?
其實,現代科學對這個問題還沒有共識,有一種主流的答案是:對稱破缺。
什麼是「對稱破缺」?
當外界環境的變化達到一定閾值就會出現「臨界點「,系統會由原來的「高對稱」變成「低對稱的穩定有序狀態」。
簡單來說,「對稱破缺」就是馬克思說的「量變引起了質變」,馬克思是用模糊的哲學語言來描述的,但是「對稱破缺」是用精確的數學語言來描述的。
舉個例子,水蒸氣凝結成水、水又結冰就是兩次因為溫度變化而發生「對稱破缺」的過程。因為在冰裡面水分子移動「整數格」後冰能保持不變(對稱),但是在水蒸氣裡面,水分子移動「任意距離」後,水蒸氣都能保持不變(對稱)。比如說移動半格、1/3格都行。
因此,水蒸氣比冰有更高的空間連續平移對稱性。水蒸氣里的分子是雜亂無章的但是冰裡面的分子排列比較有秩序,因此水蒸氣冷卻成冰是犧牲了連續平移對稱性,換來了更加有秩序。像這樣的例子還有很多很多很多,比如說時間繁衍對稱破缺產生了磁鐵的有序結構,相位對稱破缺產生了超流體等等。
總之一句話,對稱破缺能讓系統變得更加有秩序。
物理學最大的一個分支是凝聚態物理,凝聚態物理連接著物理學、化學、生命科學和材料學。凝聚態物理的奠基人anderson說過對稱不能連續變化是凝聚態物理的第一定理,因此凝聚態物理的核心是「對稱破缺」,所以對稱破缺是物理學化,學生科學和材料學之間的橋樑。
舉個例子,碳/氫/氧原子的對稱性要高於胺基酸,於是在特殊條件下碳/氫/氧原子會「對稱破缺」到更有秩序的「胺基酸」,胺基酸的對稱性要高於蛋白質,於是在特殊條件下,「胺基酸」也會對稱破缺到更有秩序的「蛋白質」,就這樣從物理學的化學再到生命科學,對稱性不斷降低,但是越來越複雜,越來越有秩序。
這同時也解決了另外一個重大的問題,我們都知道,物理學裡面有很多放之四海皆準的理論,比如說能量守恆定律,動量守恆定律在哪裡都正確,但是化學裡面(幾乎)沒有一個統一的理論或公式,化學裡(幾乎)所有的理論都有「例外」,比如說元素周期律經常出現例外,再比如有馬氏,也有反馬氏,有芳香性,也有反芳香性等等。
化學理論充滿了各種「例外」。生命科學和社會學就更慘了,靠譜的(統一性的)理論都沒幾個,為什麼從物理學到社會學統一性的理論越來越少?
就是因為從物理學到社會學,對稱性不斷破缺,對稱性越來越低。以前我們講過諾特定理,對稱和守恆一一對應,對稱性越低「守恆性」就越差,理論的適用範圍就越小,所以生命科學和社會學的理論準確率都不高。
宇宙大爆炸的起始點對稱性極高,之後對稱破缺成了四種基本作用力之後電磁力繼續破缺形成了「凝聚態物理」,而「凝聚態物理」又連接著化學和分子生物學,就這樣從宇宙大爆炸開始一層層的對稱破缺下去,就形成了我們這個多姿多彩的世界。
最後,總結一下。
從物質角度觀察,上夸克、下夸克和電子組成了地球上所有常見的物質;從能量角度觀察,「電磁力和引力」驅動著地球上所有常見物質的運動;從信息角度觀察,對稱和對稱破缺一層層地塑造了這個多姿多彩的世界。
這個世界是如何運行的?這就是現代物理學給出的答案!
當然了,在這篇文章中我們只分析了地球上常見的物質和常見的現象,因此這三句話只是簡略版的答案,如果擴展到宇宙所有的物質和所有的現象就需要完整版的答案。