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[双语阅读资料] 来尝试了解一下物理学最前沿的弦理论是咋回事

我接触的学生中有不少是异类,其中大部分都对那些抽象的世界特别感兴趣,有些是哲学和人文,有些是诗歌,有些则是天文物理。

相对而言,有些孩子则是相反的,他们喜欢的是化妆、武器、机器人。

下面这篇文章我把它翻译给上面那些和我同一阵营的孩子 – 擅长抽象思维的同学,也许看不太懂,没关系,了解一些就可以了。

String Theory: Putting the Universe in a String 弦理论: 将宇宙放在一根弦上

两位作者: Tannishtha Bag / Sunam Biswas

原文地址

As we go along with the scientifically accepted Big Bang theory stating that our universe originated from the singularity, the tendency to unify various theories and models explaining disparate phenomena which arose around the nineteenth and twentieth century seems very likely.

科学界已经基本接受了大爆炸理论,它指出,我们的宇宙起源于一个奇点,从那以后,找到一个可以统一各种理论和模型,可以解释 19 世纪和 20 世纪出现的不同现象的理论似乎变得很有可能实现了。

Presently, modern physics rests upon the theories of General Relativity (focuses on gravity for understanding the universe in regions of both large scale and high mass: stars, galaxies, clusters of galaxies)

目前,现代物理学有两大基石: 第一个是广义相对论(专注于引力,帮助我们理解大尺度和高质量区域的宇宙:恒星、星系、星系团)。

and Quantum Mechanics (concerning with the three non-gravitational forces, small scale, and low mass: sub-atomic particles, atoms, molecules).

第二是量子力学(关注三种非引力,都具有小尺度和低质量的特征:亚原子粒子、原子、分子)。

Though thoroughly proven in their separate fields of relevance, none of the two justify phenomena at the Planck scale requiring a single unified force.

尽管这两种理论在它们各自的相关领域中都得到了充分证明,但它们都不能证明普朗克尺度的一些现象,那需要的是单一的统一的力量。

Thus, a hypothetical framework, capable of fusing these incongruous theories and thus unveiling deeper realities of the universe — ’Theory of Everything’ was assumed to exist.

因此,科学家们开始假定,存在这么一个框架,能够融合这些不协调的理论,从而揭示宇宙的更深层次的现实——它叫“万物理论”。

String Theory has been one of the contenders in this conquest of stringing the universe together in a single theoretical model.

弦理论就是这么一种可以成长为万物理论的潜在竞争者,它一直在努力描述一个单一理论模型,将宇宙全部串联在一起。

Since the early 20th century, Nature’s fundamental constituents have been considered to be indivisible, dot-like particles — electrons, quarks, and neutrinos — bereft of internal machinery.

自 20 世纪初以来,大自然的基本成分一直被认为是不可分割的点状粒子——电子、夸克和中微子——再没有内部机制。

String theory challenges this by proposing that at the heart of every particle is a tiny, vibrating string-like filament.

而弦理论不认同这一点,它提出,上述每个粒子的核心还有内部结构,是一个微小的、振动的弦状细丝。

It claims that the differences between one particle and another — their masses, electric charges, spin and nuclear properties — all arise from differences in how their internal strings vibrate and twist themselves in various complex ways.

它声称,一个粒子和另一个粒子之间的差异——它们的质量、电荷、自旋和核特性——都源于它们内部的弦,以各种复杂的方式振动和扭曲,从而产生了差异。

Switching from dimensionless particles to unidimensional strings also adds extra dimensions to our currently approved 3-dimensional space model.

从无维度的粒子切换到一维的弦,也为我们目前所熟悉的 三 维空间模型增加了额外的维度。

Delightfully, the mathematics revealed that one of these notes had properties precisely matching those of the ‘Graviton’, a hypothetical particle that, according to quantum physics, should carry the force of gravity from one location to another.

令人高兴的是,数学揭示了其中一个特性与“引力子”的特性完全匹配,“引力子”是一种假设粒子,根据量子物理学,应该能将引力从一个位置传递到另一个位置。

Researchers have used results from anti-de Sitter/conformal field theory (AdS/CFT) correspondence in the formulation of string theory to answer many fundamental questions in quantum field theory, condensed matter physics, cosmology (specifically attempting to explain events just after the big bang) as well as quantum gravity (explains Black hole information paradox to some extent).

科研人员使用反德西特/共形场论 (AdS/CFT) 对应的结果来构建弦理论,以回答量子场论、凝聚态物理、宇宙学中的许多基本问题(特别是试图解释大 爆炸)以及量子引力(在一定程度上解释了黑洞信息悖论)。

It has also sparked the idea of the possibility of a multiverse (Each having a separate seemingly consistent vacuum model and cosmological constant).

它还引发了多重宇宙可能性的想法(每个宇宙都有一个独立的,看上去一致的真空模型,和宇宙学常数)。

While this theory seemed to lead the scientists closer to reality, several variables popped into the picture.

虽然这一理论似乎的确让科学家们更接近现实,但其中也出现了几个变数。

Current comprehensions of String theory devices an enormous number of vacuum states (corresponding to the various shapes suggested for the extra dimensions of space), estimated to be around 10⁵⁰⁰, might be sufficiently diverse to accommodate almost any phenomenon that might be observed at low energies, and thus destroys the hope of using the theory to predict anything.

目前对弦理论机制的理解有大量的真空状态(对应于为那些具有额外维度[超过三维]的空间提出的各种形状),估计约为 10⁵⁰⁰,这个可能足够多样化,以适应几乎任何可能在低能下观察到的现象, 从而破坏了使用该理论来预测任何事情的希望。

None of the confirmed vacuum models in the string theory landscape is known to support a metastable, positive cosmological Constant on contrary to some popular dark energy models.

与一些流行的暗能量模型相反,弦理论领域中已确认的真空模型中,没有一个支持亚稳态的正宇宙常数。

In string theory, one must typically specify a fixed reference geometry for spacetime, and all other possible geometries described as perturbations of this fixed one.

在弦理论中,通常必须为时空指定一个固定的参考几何,以及所有其他可能的描述为这个固定参考的扰动的几何。

This contradicts the fundamental property of Einstein’s theory of relativity being Background independent.

这与爱因斯坦相对论中,背景无关这个基本特性相矛盾。

Lack of technologies to function high energy experiments required for probing this infinitesimally small structure and several inconsistencies as compared to the presently approved theories have left String theory unresolved.

目前人类缺乏进行探测这种极小结构所需的高能实验的技术,同时它与目前广泛认可的理论相比,有一些不一致之处,这两个原因使得弦理论并没有得到解决。

An unresolved mystery that still holds some hopes to give new definitions to the universe or many other universes that might be existing out there.

尽管如此,作为是一个未解之谜,弦理论仍然有希望为宇宙或可能存在的许多其他宇宙,提供全新的定义。

[2020来信] 05 STEM 教育 & 未来职业

和国内其他学堂不一样,我们的教育理念立足于西方的 STEM 综合教育系统,就是整合了 科学 S、技术 T、工程 E 和 数学 M的学习方法,以项目任务导向。国内大多数学堂都很强调国学,而我们更侧重工程技术。

STEM 涵盖其实挺广,文科理科都涉及到了,当然也包括电脑编程技术,这就是工程E的范畴,另外其实还包括心理学、艺术等。我们的学习任务也会涉及到很多方面,比如公益环境项目就会涉及到生物,而我们的科幻写作会涉及到物理、社会学等等。将来学生们进入大学,有了这种跨学科做项目的经验,会适应得很快。以后走入社会,这种从小就以实用和职业为导向的学习,最终会结出硕果,对国家和民族而言,也会受益。只可惜,中国的基础教育还和民国时期一样,甚至还不如民国,别说走到这一步了。

百年计划

从2017年第一期夏令营开始,我就要求学生们每人写一封信,写给100岁的自己,因为我相信现在的孩子将来可以轻易活到100多岁,所以需要让他们开始思考一个非常遥远的未来的世界,和一条长长的人生道路。对于未来的山水学堂的学生,这样的思考更是会成为我们的日常学习的一种常态,我将和我的学生一起,以讨论会、合作写小说、合作做项目等形式,来勾画他们的未来,让他们眼下的学习有一个日渐清晰的目标,不需要稀里糊涂地跟着教育局的指挥棒走。

社会责任

即使不是将来社会上的精英,即使你的孩子只是一个资质普通的公民,社会责任也是必不可少的。能力是一方面,敢于承担社会责任会让一个普通人成为受尊敬的领袖,一个受到很多人保护的人。所以,培养孩子的社会责任感不仅仅是为了履历表上好看,也是融入集体的一种举动。对于那些个性不太强的孩子,融入集体是一种有效的保护措施。在未来一百年的人生旅途中,受到集体保护是一种很重要的措施。

健康养生

即使在未来,医疗技术包括基因编辑能力可以让我们每个人成为一个没有缺陷的完人,这种从小对健康的呵护也是必须培养的习惯。在这方面,体制外教育有巨大的优势。

【数学】比物理化学更重要,但是个人认为数理化都不如生物地理历史政治这些文科重要。在山水学堂,我们不会主动去教这些科目,除了数学,那只是为了参加美国高考而已。其他科目都通过阅读去学习。如果某个孩子将来还是想回到体制内学校去读书,在国内参考中考或者高考,那可以单独制定学习计划。自学能力是所有学堂重点培养的一种能力,相信你的孩子也可以通过自学达到中考或者高考的能力要求。

有些家长可能不赞同我的观点,觉得懂一点生物、化学、物理、历史没坏处。当然没坏处,我只是说没必要花那么多时间并且要求所有学生去学。孩子的学习时间很珍贵,应该优先学那些将来会影响他的谋生的必要技能,数理化课堂上学的绝大部分东西都是不必要的。感兴趣的话,自学好了。

每个月只做一件事

熟悉我的家长老师可能知道,我是不太倾向于给学生制定很严格的学习计划的,那是学校的老套路,实际上并不太符合学习本身的天性。我更倾向于让孩子们【养成好的学习习惯】,每天在固定的时间必须做同一件事,不管天晴下雨都不间断,这样做的目的是提高学习效率,提高自己每天的时间使用率,效率比计划更重要。

我个人目前的习惯是【每个月只做一件事】,避免自己分心,这也是我这种发散性思维的人一个弱点,就是容易走神,容易分心。将来有学生和我生活在一起,我们也会这样规划每个学期的时间,就是每个月只做一件事,将事情做到极致再收手。

项目式学习

我们的学习都是以项目导向的集体学习,不同年龄层不同兴趣爱好的孩子可以在这个集体项目中找到适合自己的角色,比如说,合作写一本书,合作建一栋小房子,合作组织一次乡村马拉松,合作组织一批学生去美国游学,合作和国外某所学校展开一次科研活动等等。一个月或者两个月做一个项目。在所有这些项目中,我们都要争取将整个活动用两种甚至三种语言介绍给全世界。每天的任务完成,就是自学时间。我们的项目大部分以能够赚到钱为目标,少数是公益项目。

高考和大学

我们的学生默认是不参加国内高考的,特殊情况再说。将来考什么大学,主要取决于孩子们的兴趣,和选择的专业。如果某个孩子很早就确定了某所大学,而那所大学不用英语教学,那就提早开始学习那门语言。一般来说,两年时间足够将一门外语学好,词汇量达到5000以上,平均每天7个单词,即使是语言天分不高或者有些厌学的孩子。毕竟我们这里是没有那么多课程去学那些没多大用的数理化生物地理的。

至于考哪些大学,什么专业,这些都没什么必要在这个阶段去讨论,这个阶段应该是找到孩子的天份所在,兴趣所在。这比什么都重要。

量子计算机会让教育和上学读书变得轻松吗?

最近很多人在转发一篇文章,说美国的IBM几年内将在量子计算机方面拔得头筹,战胜微软和谷歌,生产出成型的产品。我也借着这篇文章来和我的学生和家长们学习一下,什么是量子?什么叫量子计算机。

根据我的理解,用方便普通老百姓和学生理解的表述:电子属于人的世界,量子则是神的世界,因为它和神一样无法理解,神秘莫测。

虽然我们的老师一直和我们说,这个世界上根本没有鬼神,但其实人类至今无法断定世间是否真的没有鬼神,没有人能证明鬼神存在也同样不能断定就不存在。老老实实承认自己不懂不知道其实才是学校应该教孩子的答案。

量子同样如此,最顶尖的科学家也还没有搞明白量子的奇怪特征,比如说量子可以分身,一对量子无论相隔多远可以互相感应,科学家称为纠缠 entanglement,这是我们的人类物理世界中无法解释的现象。所以有一种可能:量子是“神”的世界里一种最基本的物质,这样说虽然很业余而且玄乎,但我们大多数同学和家长可能比较容易理解。神能够瞬间改变人类的生活状态,量子计算机既然属于神界的法器,也有差不多的神力,小心为妙。参考阅读:墨子号量子科学微信与窃听

点击这里了解量子计算机

解释一下为什么我要写这篇文章。我并不是个物理老师,对量子的世界也并不清楚,只知道其最重要的特征是可以分身,注意不是分裂,而且一对量子不管放到多遥远的宇宙的两个地方,也会立即产生“心电感应”。写这篇文章是想提醒我们的家长和学生们,虽然我们现在的生活离量子计算机相距非常遥远,但很快这个东西就会对我们的生活产生天翻地覆的变化,即使只是为了自己的孩子的未来,也应该对此有所了解,就和我一样,粗浅地接触一下,不要在过后几年机会或者危机到来时晕头转向。

为什么说会对我们自己的后半生和孩子今后的一生产生天翻地覆的变化?我没有用词夸张,根据我的阅读,量子计算机真的有可能对今后几十年的人类产生的影响是我们大多数普通人做梦都想不到的,就和区块链以及人工智能一样,这些前沿科技一起到来,真是无法想象会出现一个什么样的世界。我根据自己的一些简单阅读来做一些联想吧:

小吴和罗老师

哪些课堂上教的东西将不再重要,甚至变得毫无用处

我们诟病现在的应试教育的理由之一就是:课堂上教的东西大多数等到学生们成年以后都毫无用处,也就是说,为了分数,他们牺牲了快乐的时光,牺牲了健康,牺牲了最佳的学习有用知识技能的青春,这实在是划不来。

现在人类到了一个科技即将迅猛发展的新阶段,他们的知识结构更是不合理,该学的不学,不该学的记住了一大筐。我们先来尝试着理清一下哪些肯定没有用:

排队的孩子

  1. 政治书里面的绝大多数内容在新时代都将毫无用处,具体我不便多说,免得惹麻烦。举例来说,由于量子计算机的出现,人们的密码将轻易地被最先掌握其强大计算能力的那群人破解,包括银行密码、民众隐私,军事装备甚至和武器库等都将如临大敌,整个社会系统必然由此改变。所以我们的政治书中应该增加的内容是现实中的法律常识,包括如何保护自己,以及道义和法律规范发生冲突的时候应该如何面对等等。河南滴滴顺风车上那个空姐算是比较典型的政治课受害者,她的政治老师如果在课堂上教给了她一些刑事犯罪的法律常识,可能年轻貌美的她就不会傻乎乎地半夜三更一个人去打车。
  2. 螳螂
  3. 历史应该是帮助我们看清文明的方向的,但是我们的历史书上没有相关的课题,我从来没有听哪个来补习的学生说,他们的历史老师让学生分析一下今后一百年的方向。几十年了,我们的学校历史课堂上反反复复在讲鸦片战争发生在哪一年,英国如何侵略我们,好像这才是历史告诉我们的。也许我们不能对历史老师要求过高,但我们的教科书编写者难辞其咎。绝大部分中国学生都没有培养眺望未来的习惯,叫他们如何在未来平平安安地成长?
  4. 前两天看到一个学生的生物书,随便翻了一下,有一页是在讲解什么水螅虫的身体结构。他们宝贵的少年时光就用来记住这些东西?拜托,很多学生连小麦和稻谷都分不清楚!夏令营的时候,绝大多数中小学生,其中包括一个高三男生,无论如何都不敢将一双脚踩入绿油油的稻田,说什么怕蜘蛛,说什么烂泥巴里有虫子,说什么泥巴软绵绵的。。。闪电
  5. 数理化有些不一样,书上的理论和知识基本上不会随着时代变迁而变得没有用,但是我个人觉得讲得太细了,没必要花这么多时间去学,了解一些基本的知识点就差不多了,比数理化有用的技能知识不光是语文和英语,我觉得法律就很重要,帮助学生看清这个世界,以及如何应对很多情况;还有编程,可以帮助学生认清人工智能和看清楚未来的世界,并且培养推理能力,培养一丝不苟的精神,还有,对效率有一个概念;数学我不好说,法律和编程能力的重要性我认为不低于物理化学,当然还有其他的能力,比如团队协作就非常重要。

强大的量子计算能力会不会让学习变得轻松

这是肯定的。我们很多人在科幻电影中看到过,某个本来处于世界末日中变得愚昧无知的人由于坐在了一台外星人的机器上,通过眼睛忽然就吸收了很多的知识,虽然过程剧烈而痛苦,但学习过程突飞猛进。这应该是有可能的,毕竟学习过程就是一个重塑大脑结构的过程,让有些神经连接加强加粗,有些则由于不用而日渐弱化。通过机器或者手术让这个重塑过程加速将来是可以做到的。

但量子计算能力为什么会让这个过程称为现实呢?很简单,这样复杂的机器和技术还没有开发出来,是因为受到目前技术的限制,量子计算机代表着一种高科技的飞速到来,将让这种目前看来遥不可及的大脑重塑手术轻松实现。

如果以后学习可以通过机器来加速,学校和老师怎么办?

今后学校里应该会开始配备这样的设备,并进行维护,学校可能需要决定输入什么知识,哪些不输入。老师则需要经常组织各种课堂讨论,毕竟学习过程不能完全依靠输入,那只能代替一部分记忆的过程,分析和判断还是学校课堂上的活动,需要继续。

还有,学生需要同龄人的陪伴,需要身体的锻炼,需要人格的培养,需要接受各种挑战,所以学校是不会消失的。由于记忆变得不那么枯燥和劳累,学习会成为一个比较愉快的过程,学校应该会充满来自师生的欢笑。

刚开始估计只有少部分精英学校可以配备这样的设备,那里的学生会取得很大的优势,在很短的时间内将其他穷人家的孩子甩在后面,所以这样的学校可能需要更多保护,因为肯定会引起社会动荡。。。:(

长沙博物馆展览馆

顺便说说健康和制药领域

有几个领域需要庞大的计算能力,包括人类基因图谱的绘制和新药的研发。我们现在很多疾病都治不好,是因为这些病是遗传的,问题在基因里,而我们绝大多数医院暂时还没有能力实行基因手术。有了这个清晰的人类基因组图谱,会方便我们识别缺陷基因,实行基因靶向治疗就会很精确而有把握。

DNA

制药行业也是。研发新药需要在无数的化学合成物质中筛选、尝试,挑出一种有效的物质作为药品。依靠传统的方法和电脑等工具,这种筛选需要耗费很长的时间,所以新药都很贵,也特别需要专利保护。今后有了量子计算机这个强大的帮手,新药研发将快很多,节省药厂大量成本,我们的后代的健康将会极大地得到保障。

但是同样,刚开始的时候将只有少部分权贵家庭能够享受到这种基因手术和超级药品带来的寿命的显著提高。他们的后代还没有出生就能确保很健康而且聪明,因此医院也会需要更多安保力量。

不过穷人家的孩子可以考虑去给富人们当保安,到时候这个职位可能会有很多需求。