1982年，肯尼思·威爾遜因其偉大成就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 他提出了一個(gè)關(guān)于規(guī)模的理論。 特別是，威爾遜展示了不同尺度之間看似嚴(yán)格的障礙如何在所謂的臨界點(diǎn)附近被打破。 例如，當(dāng)冰塊接近融化時(shí)，分子水平上發(fā)生的事情突然影響宏觀水平上發(fā)生的事情，反之亦然。 尺度之間的隔離被打破，所有尺度都有助于從冰到水的轉(zhuǎn)變。
威爾遜的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 對于量子理論的標(biāo)準(zhǔn)模型物理學(xué)家成就，威爾遜揭示了尺度如何影響我們將測量的自然基本常數(shù)，更重要的是，揭示了原因。 在威爾遜進(jìn)行研究之前，物理學(xué)家一直認(rèn)為他們是在用方程玩某種數(shù)學(xué)游戲才能得到合理的結(jié)果。 威爾遜證明了事實(shí)并非如此。 相反，一切都是成比例的。 像萬有引力常數(shù)和精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)這樣的常數(shù)根本不是常數(shù)，而是在很大程度上取決于測量它們的尺度。
特別是，他表明物理方程在特定尺度上會崩潰，但在某些情況下你可以忽略較小尺度上發(fā)生的事情，因?yàn)槟悴焕斫庖膊恢腊l(fā)生了什么。 相反，您可以將一個(gè)尺度與稍小的相鄰尺度相關(guān)聯(lián)，并提出當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀器檢測到越來越小的長度時(shí)自然常數(shù)如何從一個(gè)尺度變化到另一個(gè)尺度的公式。 規(guī)模變化。 這種由于歷史原因被無意義地稱為“重正化群論”的數(shù)學(xué)技術(shù)永遠(yuǎn)改變了量子物理學(xué)，是過去 50 年來物理學(xué)中最重要的數(shù)學(xué)成就之一。
這并不是微觀層面上發(fā)生的唯一奇怪的事情。 科學(xué)家們已經(jīng)證明，如果尺度足夠小，時(shí)間實(shí)際上可以倒退一小段時(shí)間。 僅由幾個(gè)分子組成的機(jī)器可能會受益于這種奇怪的時(shí)間扭曲。 原因是熱力學(xué)第二定律控制著我們認(rèn)為時(shí)間流動(dòng)的方向，它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)定律，并且像所有統(tǒng)計(jì)定律一樣，當(dāng)樣本量變小時(shí)，它就會被違反。 在小范圍內(nèi)，違規(guī)行為變得越來越有可能，并且確實(shí)可以觀察到時(shí)間倒流。
在科技領(lǐng)域英語作文，雖然飛機(jī)使用類似于鳥類的固定翼，但在小范圍內(nèi)，這是行不通的。 較小的規(guī)模意味著更多的湍流，需要更多類似昆蟲的翅膀運(yùn)動(dòng)。 在尺寸較小的情況下，鞭狀鞭毛以奇怪的螺旋模式移動(dòng)，推動(dòng)單細(xì)胞生物前進(jìn)，包括允許人類繁殖的精子細(xì)胞。
與此同時(shí)，在最大尺度上，宇宙變得像光滑的流體。 每個(gè)星系和超星系團(tuán)就像數(shù)十億人中的一個(gè)分子。 雖然宇宙，即使在最大的尺度上，也有一些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但它在很大程度上平穩(wěn)地移動(dòng)和膨脹。 然而，在數(shù)十億年前的某個(gè)時(shí)刻，我們所知的最大結(jié)構(gòu)，即可觀測宇宙的 460 億光年，比原子核還小。 在這個(gè)尺度上，宇宙與最微小的尺度發(fā)生碰撞，我們不知道此時(shí)會發(fā)生什么。 我們只知道當(dāng)宇宙稍微大一點(diǎn)并且我們所知道的普通物理學(xué)出現(xiàn)時(shí)會發(fā)生什么。
關(guān)于尺度的有趣之處在于，在望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡被發(fā)明并變成科學(xué)儀器之前物理學(xué)家成就，這些東西甚至是不可見的。 伽利略圍繞這些儀器建立了業(yè)務(wù)，一度幾乎成為壟斷企業(yè)。 然而，他們還使用這些儀器來極大地?cái)U(kuò)展我們對最大和最小尺度上發(fā)生的事情的理解。 從木星的衛(wèi)星到一滴水，我們的世界開始向兩個(gè)方向擴(kuò)展。
關(guān)鍵是，對于不同的尺度，我們通常使用不同的物理原理。 在星系和宇宙的尺度上，我們使用愛因斯坦的長方程。 其中沒有任何關(guān)于地球上生命多樣性的內(nèi)容，也沒有任何關(guān)于原子的內(nèi)容，因?yàn)檫@些都不重要。
同樣，在最小的尺度上，我們有量子物理學(xué)。 有人說所有物理都是量子的，但我們不用量子物理來討論洋流。 而且，盡管人們進(jìn)行了許多嘗試，但將量子物理學(xué)應(yīng)用于恒星或宇宙尺度方面卻收效甚微。 唯一真正的例外可能是斯蒂芬·霍金關(guān)于黑洞熱力學(xué)、熵和霍金輻射的一些工作，它將兩者結(jié)合起來。 然而，其中大部分尚未得到證實(shí)。 對于大型恒星黑洞，量子效應(yīng)基本上是不可見的。 我們沒有制造微小黑洞的儀器，但我們可以通過研究證實(shí)大部分預(yù)測。 我們還沒有發(fā)現(xiàn)任何自然發(fā)生的原初黑洞（它們可能小到足以觀察到）。
事實(shí)上，每個(gè)尺度都有自己的物理現(xiàn)象，跨尺度的物理現(xiàn)象相當(dāng)罕見。 唯一的例外可能是電磁力，但即使電磁力在與其他力結(jié)合時(shí)也會在最小的尺度上崩潰。
這就是威爾遜的研究既令人著迷又令人擔(dān)憂的地方，因?yàn)樗砻?，在這些臨界點(diǎn)，所有尺度都很重要。 這意味著，如果宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)現(xiàn)在或過去經(jīng)歷了臨界點(diǎn)，我們可能無法理解它們，具體取決于尺度有多大，除非我們有一個(gè)結(jié)合大尺度和小尺度的總體理論。
黑洞和奇異結(jié)構(gòu)可能是這些臨界點(diǎn)發(fā)揮作用的地方。 在這些情況下，我們使用愛因斯坦的物理學(xué)，但愛因斯坦的物理學(xué)忽略了微小的量子尺度。 為了理解這些關(guān)鍵現(xiàn)象，我們必須擁有包括愛因斯坦和量子尺度物理學(xué)的物理學(xué)。 我們不能忽視其中任何一個(gè)。
直接的解決方案是“量化”愛因斯坦的方程，但這被證明是困難的，沒有人能弄清楚如何做到這一點(diǎn)，因?yàn)閻垡蛩固沟睦碚撝皇谴蟪叨壬系摹坝行А崩碚?，在任何其他尺度上都不起作用?我們需要找到一種在所有尺度上都有效的“真實(shí)”引力理論。
這個(gè)理論是由一個(gè)名叫波利亞科夫的人發(fā)明的。 波利亞科夫方程確實(shí)適用于所有尺度。 波利亞科夫方程中也有與愛因斯坦的引力場非常相似的東西。 最近，數(shù)學(xué)家實(shí)際上已經(jīng)證明了它在二維中的工作原理。 他們花了四十年的時(shí)間才證明了這一點(diǎn)，而且只是在二維方面。 如果他們能在 4 個(gè)維度上做到這一點(diǎn)，他們可能就會有一個(gè)可行的理論。 無非就是弦理論。
另一個(gè)建議是，引力有其最小的尺度，實(shí)際上沒有什么比它更小的了。 畢竟，愛因斯坦方程確實(shí)告訴我們某物有多長。 這是一個(gè)“度量”場論。 重力改變物體的長度。 如果它可以確定這些事情，為什么它不簡單地告訴我們事情可以有多小呢？
在計(jì)算機(jī)中，我們在模擬任何事物時(shí)總是引入最小尺寸，因?yàn)橛?jì)算機(jī)是有限的機(jī)器。 但對于大多數(shù)事物，最小尺寸會疊加在某些不假定具有最小尺寸的背景上。 對于重力來說，如果你確實(shí)假設(shè)了一個(gè)最小尺寸，它就不會疊加在任何東西上。 空間和時(shí)間中的每個(gè)點(diǎn)都沒有“位置”，因?yàn)橐獡碛幸粋€(gè)位置，你必須有一些背景現(xiàn)實(shí)來與之比較。
這和這個(gè)想法很相似。 您必須根據(jù)每個(gè)點(diǎn)與其他點(diǎn)的關(guān)系來定義每個(gè)點(diǎn)。 事實(shí)上，這是這個(gè)時(shí)空理論中任何給定點(diǎn)的唯一定義特征。 它以某個(gè)最小距離連接到相鄰點(diǎn)。 這就是環(huán)量子引力。
還有一些理論試圖以某種方式消除規(guī)模問題。 例如，通過將重力轉(zhuǎn)化為第五維度。 這種量化并不會告訴你在最小尺度上會發(fā)生什么，它只是告訴你這些尺度應(yīng)該是可控的，因?yàn)橐υ谧钚〕叨壬鲜谴_定性的，盡管是混亂的。 它還從根本上挑戰(zhàn)了量子物理學(xué)，將其納入愛因斯坦的廣義相對論中。
無論答案是什么，它都必須解決這一問題：當(dāng)重力達(dá)到最小尺度時(shí)會發(fā)生什么？ 重力會改變嗎？ 量子物理學(xué)會改變嗎？ 現(xiàn)實(shí)就這樣停止了嗎？ 如果我們確實(shí)找到了正確的理論，我們?nèi)匀挥泻芏喙ぷ饕觯宰C明它與我們在最大尺度上看到的相符。
最近有人問，如果我們只能用有理數(shù)來衡量位置和時(shí)間呢？ 這對這個(gè)問題有幫助嗎？ 有理數(shù)是整數(shù)之比，并非所有數(shù)字都是有理數(shù)。 事實(shí)上，無理數(shù)比有理數(shù)多得多。 然而，生活中遇到的每一個(gè)數(shù)字都是有理數(shù)。 原因是我們根本無法處理具有無限個(gè)不重復(fù)數(shù)字的數(shù)字。 問題是：這能解決擴(kuò)展問題嗎？
它不會解決問題。 有理數(shù)可以代表您選擇的任何比率。 人們對連續(xù)數(shù)感到困惑，但它們很少成為物理學(xué)中的真正問題。 通過使用限制和比例可以很容易地控制連續(xù)數(shù)字帶來的任何問題。 我認(rèn)為非數(shù)學(xué)家只是害怕它們，因?yàn)楫?dāng)你處理連續(xù)數(shù)字時(shí)，你會失去離散數(shù)字的直觀性。 您必須考慮無限維的函數(shù)和運(yùn)算符的空間。 真讓人頭暈。 但真正的問題不是連續(xù)性，而是規(guī)模。 這是一個(gè)關(guān)于數(shù)字無窮大的問題，而不是數(shù)字連續(xù)性的問題。 引入一個(gè)有限的宇宙，你可能會解決這個(gè)問題，但你必須回答這個(gè)問題：宇宙有多大或多小？
由于黑洞奇點(diǎn)尚無法測量，因此不可能知道真正的答案是什么。 也許有一天引力波探測器會告訴我們。 另一種可能性是，將引入一種新理論來解釋一些其他現(xiàn)象，例如暗物質(zhì)和暗能量，并且不存在與愛因斯坦相同的尺度問題。 無論解決方案是什么，它都需要在巨大和微小的尺度上發(fā)揮作用。