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,
之一句话: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。
物理学更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之一定理,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。