从物理学到化学到生物学,再到社会学,它们是如何连接起来的?
这个世界是如何运行的?
现在物理学给出了一个非常简洁的答案,总共就三句话,
第一句话:地球上所有常见的自然现象都是由电磁力和引力驱动的。
我们都知道,总共有四种基本作用力,其中强力和弱力只在原子核里面起作用,在地球上只有核武器、放射性或者高能物理实验室这些极端的环境才会用到强力和弱力,其他地方都是有电磁力和引力主宰的。
我们讲过生活中你见过的所有类型的力,除了重力以外,其他的力归根结底都是电磁力,比如说,拉力、弹力、摩擦力、支持力、浮力,本质上都是电磁力。
声音、电、磁、光、颜色、热传递、化学反应,归根到底也来源于电磁力。
风雨雷电、地震、火山爆发等所有自然现象都是在电磁力和引力的驱动下进行的,电磁力和引力的数学公式是这样的,电磁力对应着量子电动力学公式,引力对应着广义相对论公式。
我们初中,高中,大学学的几乎所有的物理理论都在以上这两个公式里。
比如说欧姆定律,福利公式,杠杆原理,牛顿运动三大定理,麦克斯韦方程,薛定谔方程等等,通通都在这两个公式里面。
地球上所有物质的运动都必须严格遵守这两个公式。因此地球上所有的现象都是由电磁力和引力驱动的。我们可以进一步思考一下,上次我们讲过自然法则必须用严格的数学来描述,你说这两个公式像不像近似简略版的“自然法则”?
第二句话,地球上所有稳定存在的物质都是有上夸克、下夸克、电子三种基本粒子组成的,没有其他东西,只有这三种基本粒子(才能组成稳定存在的物质)。
第三句话,对称破缺造就了这个多姿多彩的世界。
我们都知道,物理学是化学的基础,化学是生命科学的基础,生命科学是社会学的基础。
那你有没有思考过这些学科之间是怎么连接起来的呢?
其实,现代科学对这个问题还没有共识,有一种主流的答案是:对称破缺。
什么是“对称破缺”?
当外界环境的变化达到一定阈值就会出现“临界点“,系统会由原来的“高对称”变成“低对称的稳定有序状态”。
简单来说,“对称破缺”就是马克思说的“量变引起了质变”,马克思是用模糊的哲学语言来描述的,但是“对称破缺”是用精确的数学语言来描述的。
举个例子,水蒸气凝结成水、水又结冰就是两次因为温度变化而发生“对称破缺”的过程。因为在冰里面水分子移动“整数格”后冰能保持不变(对称),但是在水蒸气里面,水分子移动“任意距离”后,水蒸气都能保持不变(对称)。比如说移动半格、1/3格都行。
因此,水蒸气比冰有更高的空间连续平移对称性。水蒸气里的分子是杂乱无章的但是冰里面的分子排列比较有秩序,因此水蒸气冷却成冰是牺牲了连续平移对称性,换来了更加有秩序。像这样的例子还有很多很多很多,比如说时间繁衍对称破缺产生了磁铁的有序结构,相位对称破缺产生了超流体等等。
总之一句话,对称破缺能让系统变得更加有秩序。
物理学最大的一个分支是凝聚态物理,凝聚态物理连接着物理学、化学、生命科学和材料学。凝聚态物理的奠基人anderson说过对称不能连续变化是凝聚态物理的第一定理,因此凝聚态物理的核心是“对称破缺”,所以对称破缺是物理学化,学生科学和材料学之间的桥梁。
举个例子,碳/氢/氧原子的对称性要高于氨基酸,于是在特殊条件下碳/氢/氧原子会“对称破缺”到更有秩序的“氨基酸”,氨基酸的对称性要高于蛋白质,于是在特殊条件下,“氨基酸”也会对称破缺到更有秩序的“蛋白质”,就这样从物理学的化学再到生命科学,对称性不断降低,但是越来越复杂,越来越有秩序。
这同时也解决了另外一个重大的问题,我们都知道,物理学里面有很多放之四海皆准的理论,比如说能量守恒定律,动量守恒定律在哪里都正确,但是化学里面(几乎)没有一个统一的理论或公式,化学里(几乎)所有的理论都有“例外”,比如说元素周期律经常出现例外,再比如有马氏,也有反马氏,有芳香性,也有反芳香性等等。
化学理论充满了各种“例外”。生命科学和社会学就更惨了,靠谱的(统一性的)理论都没几个,为什么从物理学到社会学统一性的理论越来越少?
就是因为从物理学到社会学,对称性不断破缺,对称性越来越低。以前我们讲过诺特定理,对称和守恒一一对应,对称性越低“守恒性”就越差,理论的适用范围就越小,所以生命科学和社会学的理论准确率都不高。
宇宙大爆炸的起始点对称性极高,之后对称破缺成了四种基本作用力之后电磁力继续破缺形成了“凝聚态物理”,而“凝聚态物理”又连接着化学和分子生物学,就这样从宇宙大爆炸开始一层层的对称破缺下去,就形成了我们这个多姿多彩的世界。
最后,总结一下。
从物质角度观察,上夸克、下夸克和电子组成了地球上所有常见的物质;从能量角度观察,“电磁力和引力”驱动着地球上所有常见物质的运动;从信息角度观察,对称和对称破缺一层层的塑造了这个多姿多彩的世界。
这个世界是如何运行的?这就是现代物理学给出的答案!
当然了,在这篇文章中我们只分析了地球上常见的物质和常见的现象,因此这三句话只是简略版的答案,如果扩展到宇宙所有的物质和所有的现象就需要完整版的答案。
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