文小刚教授的简明物理史科普

年轮岁月

在牛顿生活的时代，人们认为所有物质都是由粒子组成的。而粒子形态物质的运动规律，是由微积分来描写的。后来，麦克斯韦和爱因斯坦发现了新的形态的物质——场形态的物质，也就是电磁波（光）和引力波。场形态的物质，是粒子形态的物质之间相互作用的起源。它遵循和粒子形态物质完全不同的运动规律。本文介绍了描写场形态的物质运动规律的规范理论。这是近代物理的一个关键组成部分。

最早发现的场形态物质（电磁波），是由偏微分方程（麦克斯韦方程）来描写的。后来发现的第二种场形态物质（引力波）一开始也是由偏微分方程来描写的。不过爱因斯坦发现，描写引力的偏微分方程，实际上是描写空间的一种几何形变。这一空间的几何形变，可以用空间方向的相对性来描写。这就是为什么爱因斯坦的引力理论又叫广义相对论。既然第二种场形态物质（引力波），可以用空间方向的相对论（也就是弯曲时空）来描写，那么第一种场形态物质（电磁波），是不是也可以由某种相对论来描写？

我们知道，为了进行测量，我们必须首先选定一个单位。比如衡量财富的多少，在中国，可以用基本货币单位“人民币”。在物理领域，外尔首先提出，度量单位也可以是相对的，就像不同国家有不同的衡量财富的单位，如美国就用美元做单位。而电磁波，就可以用度量单位的相对论来描写。

换句话说，电磁波对应于空间各个点的度量单位的一个形变。在上面度量财富的例子中，这一形变，就是我们所讲的各种货币之间的汇率。重新选取货币的单位，会改变货币之间的汇率。这对应于一个规范变换。如果我们无法通过重新选取各个国家的货币单位，来使所有的汇率都变成1:1，那么我们就说，度量单位体系有一个实质性的形变。这对应于一个非零的规范场，也就是一个非零的电磁波。

可是，这一电磁波的度量相对论，后来被发现是错误的。不过通过一个小小的修改，外尔发现，电磁波是量子力学中波函数相位的相对论。要知道，外尔首先提出规范理论的时候，量子力学还没有发展成形。外尔不得不等到量子力学发展成熟之后，才提出对他的规范理论的修正。

这样一来，所有的场形态物质，都可以统一由一个几何的形变理论来描写。这是对电磁和引力的一个深度统一。这一统一，导致了用几何眼光看世界的物理学潮流。这是过去100年物理理论的一块基石，也是物理理论的主流。物理学家，被这种几何之美深深吸引。

但这里我要提一下，这种用几何眼光看世界的观念，有可能会被最近的一些物理研究所颠覆。规范场和它所描写的场形态物质的本质，也许不是几何形变而是量子纠缠。虽然关于这个世界的几何理论十分美，但它可能没有反应出世界的本质。我们世界的本质，很可能是量子信息和量子纠缠。它是代数的而不是几何的。这就是用量子信息来统一物质和空间的近代观点。
——文小刚

燕庐敕

看是看了，没真正明白。

年轮岁月

燕庐敕 发表于 2017-4-5 13:04
看是看了，没真正明白。

嗯，不得不说，这需要些物理学功底，特别是对量子物理有初步了解。

燕庐敕

年轮岁月 发表于 2017-4-5 13:18
嗯，不得不说，这需要些物理学功底，特别是对量子物理有初步了解。

四大力学都学过，不过文小刚师兄倒是不认识。认识和他同班的老乡，后来拿郭沫若奖学金的刘宏保。

龙血树

太简略了！

年轮岁月

年轮岁月 发表于 2017-4-5 13:18
嗯，不得不说，这需要些物理学功底，特别是对量子物理有初步了解。

失敬失敬，实际上，估计没几个人完全懂