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這應(yīng)該是史上最強(qiáng)的物理學(xué)科普（雄文）

點(diǎn)擊：  作者：希望憑籍本文    來源：工業(yè)智能化 微信號  發(fā)布時間:2021-08-14 16:04:07

 

 

本文素材主要摘錄自加來道雄的《Hypersapce》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。作者希望憑籍本文，回顧一下兩百年來的科學(xué)史，看看那些代表著人類最高心智的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家們前仆后繼探究宇宙本源的奇妙歷程，并向他們致以最崇高的敬意！

 

這是一部壯麗的物理史詩，這是一串光耀后世的姓名。他們是：牛頓，高斯，黎曼，麥克斯韋爾，愛因斯坦，楊振寧，羅摩奴詹，霍金，維藤……（且慢，最近十年，我們只能在娛樂版看到的楊老師，居然可以和那些大師比肩嗎？可以的！以楊老師和他的學(xué)生命名的楊－米場，即所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，成功地解釋、整合了四種自然力中的三種。）

 

那么，這些智慧的頭腦到底有多智慧？

 

我們普遍接受這樣一個結(jié)論，即我們現(xiàn)存的這個宇宙起源于一次大爆炸，英文叫做Big Bang！

 

但是，原子物理學(xué)家絕不可以止步在如此初級的常識上。他會告訴你，創(chuàng)世的剎那，是如下的演化階段：

 

話說：一切，開始于10E^- 43 秒……（10的負(fù)43次方秒，也稱為普朗克時間，人類已知的最小時間存在。普朗克時間=普朗克長度/光速。光速定義值：c=299792458m/s=299792.458km/s。請注意了，這是一個定義值，而不是一個測量值。

 

言歸正傳，創(chuàng)世的剎那：

 

 

 

 

# 10E－43秒，十維宇宙分裂成一個四維宇宙和一個六維宇宙。六維宇宙崩潰，縮成10E－32公尺。四維宇宙（我們今天所在的宇宙）則迅速爆炸，此時的溫度高達(dá)10E32（10的32次方）度；

 

# 10E－35秒，大一統(tǒng)作用力崩解；

 

# 10E－9秒，電弱對稱崩解，此時的溫度是10E15度；

 

# 10E－3秒，夸克開始凝聚，中子與質(zhì)子出現(xiàn)，此時的溫度是10E14度；

 

# 3分鐘，質(zhì)子與中子開始凝聚成穩(wěn)定的原子核；

 

# 30萬年，電子開始凝聚在原子核周圍，第一個原子出現(xiàn)；

 

# 30億年，第一個似星體(quasar)出現(xiàn);

 

# 50億年，第一個星系出現(xiàn)；

 

# 100～150億年，太陽系誕生，又經(jīng)過數(shù)十億年，地球上出現(xiàn)了第一個生命。

 

這個時間表，是哪位大神寫的科幻小說吧？NO！這是目前已經(jīng)成為眾多科學(xué)家普遍共識的創(chuàng)世時間表。

 

的確，表中所述的那個數(shù)量級上的時間、長度、溫度等等所有的數(shù)值，沒有任何一個是可以直接測量的，因?yàn)槟壳霸蹅內(nèi)祟惖募夹g(shù)和工具水平，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能企及到那個數(shù)量級。但是，人類的心智卻做到了。這個時間表里面的每一個數(shù)字的背后，都是一堆嚴(yán)密的公式和演算，都有一群知名或者不知名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，他們是我們?nèi)祟愖钪腔鄣拇竽X。

 

回到時間表的第一個事件，“十維宇宙分裂”，這就是我們今天的主題了：超維度空間。讓我們一起看看，兩百年來，科學(xué)家們是如何探究世界的本源的。

 

讓我們先厘清一個重要概念：

 

 

§  一只在直線上行走的毛毛蟲只能前后移動，所以，我們把直線或曲線叫做：一維空間；

 

§  一只阿米巴扁平蟲可以在球面上前后左右移動，所以，我們把平面或曲面叫做：二維空間；

 

§  一只鳥在我們的空間可以上下前后左右移動，所以，我們的空間叫做是：三維空間；

 

§  加上時間一維，我們的世界是四維的，合稱時空。在這個時空中你要準(zhǔn)確標(biāo)定一個點(diǎn)，需要四個數(shù)字，比如：淮海路、馬當(dāng)路交界，二樓，下午四點(diǎn)。

 

依此類推……

 

如果，有人告訴你，多維空間（四維以上）的人，看著我們的保險(xiǎn)柜或房子時根本就是內(nèi)外一目了然，就像我們看著二維平面上的圓圈一樣，你會不會大惑不解、無法想象、或者毛骨悚然？

 

當(dāng)然，對于“眼見為憑”來說，這其實(shí)涉入了一個哲學(xué)難題。如果眼見才是真實(shí)的，那么高維度的對象就不是真實(shí)的。但從另一個角度來看，人不過是動物中的一種，阿米巴扁平蟲只能感知二維的世界，我們?nèi)绾巫C明我們所能感知的所謂“真實(shí)”，豈不是也受限于我們自己的認(rèn)知條件？

 

必須承認(rèn)的事實(shí)是：人類的大腦和眼睛，只是為了應(yīng)付三維空間和四維時空的各種情況演化出來的，因此它們不具備辨識和解析高維度空間物體的能力。

 

超弦理論認(rèn)為：宇宙真正的時空，其實(shí)是一個十維的空間，其中四維是愛因斯坦的時空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個和它’垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說法，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動這些弦造成不同的音高與音色，于是產(chǎn)生不同的基本粒子，進(jìn)而發(fā)展出所有的物質(zhì)與作用力。（最新的M理論，有別于超弦理論，認(rèn)為宇宙是從十一維開始演進(jìn)的。）

 

 

兩千年來，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們宇宙的所有現(xiàn)象，都可以簡化成四個作用力：

 

1、電磁力（electromagneticforce)：包括電力、磁力和光本身，合稱為電磁力。電荷（磁級）正負(fù)相同為排斥力，相反為吸引力。由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中第2強(qiáng)。

 

2、強(qiáng)核力 (strong nuclearforce)：是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞（束縛質(zhì)子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子傳遞）。在有效距離內(nèi)，距離越大，力越大。短程力，在四種力中最強(qiáng)，也是恒星燃燒能量的自然力，氫彈的爆炸正是運(yùn)用強(qiáng)核力的原理。

 

3、弱核力 (weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物質(zhì)的衰變形態(tài)，是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，較弱，短程力，作用在夸克級的粒子。是四種力中第3強(qiáng)的。

 

4、重力 (gravitational force，或稱引力）：由引力子傳遞，與質(zhì)量成正比，距離成反比。長程力，在四種力中最弱。

 

 

一旦人類將所有的作用力整合成一個超作用力，這時會有什么突破。關(guān)于這一點(diǎn)，物理學(xué)家Paul Davies寫到： 

 

“我們能夠改變時空的結(jié)構(gòu)，了解宇宙萬物的來龍去脈，讓物質(zhì)變得井然有序。控制超作用力后，我們便能任意地組合與改變粒子，制造出前所未有的物質(zhì)形態(tài)。我們甚至能左右空間的維度數(shù)，制造出具有不可思議屬性的人工世界。我們將成為宇宙的主宰。”

 

回看一下人類掌握“力”的歷史：

 

§  人類誕生的歷史超過數(shù)千萬年，在99.99%時間里，人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量，大概只有八分之一馬力；

 

§  十萬年前，隨著手持工具的發(fā)明，人類的能量輸出倍增，達(dá)到一又四分之一馬力； 

 

§  牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力和運(yùn)動定律，讓力學(xué)被簡化成條理分明的方程組。現(xiàn)代機(jī)械原理催生出蒸汽機(jī)，人類掌握的能量達(dá)到數(shù)十到數(shù)百馬力；

 

§  麥克斯韋爾方程式，啟迪了愛迪生等發(fā)明家，人類進(jìn)入電力時代，能量級數(shù)獲得飛躍，極大地改變了人們的生活。

 

§  愛因斯坦的相對論為人類打開了核能利用的時代，人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

 

歷史地看，每當(dāng)人類控制一項(xiàng)自然力，都能大幅提升人類所能掌握的能量，讓整個社會改頭換面。（那么，未來的人類需要多大的能量？10E 20億電子伏特起步，超過了現(xiàn)在的一千億倍。否則，我們將無法使空間彎曲，解決航行到遙遠(yuǎn)星際的難題；或者，在宇宙崩潰的瞬間，有足夠的能量打開六維宇宙，逃離滅亡的劫難。）

 

下面，就讓我們按照時間順序，回顧一下人類整合四種自然力的歷程：

 

（本文雖然涉及諸多專有詞匯，但我們盡量直白描述。理解這些前輩的偉大思想其實(shí)不難，并不需要多少艱深的專業(yè)知識，只要：一點(diǎn)常識＋一點(diǎn)邏輯＋一點(diǎn)耐心。）

 

第一個走進(jìn)這段物理史詩的，是一位數(shù)學(xué)家：黎曼。

 

 

牛頓曾經(jīng)說：“如果說我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募缟?rdquo;。按照牛頓的這種說法，黎曼毫無疑問正是支撐起愛因斯坦的那個巨人。

 

一八五四年六月十日，一套新的幾何學(xué)誕生了。黎曼在德國哥廷根大學(xué)發(fā)表了著名的演說，徹底撼動了兩千年來從未被動搖過的歐幾里德幾何學(xué)。

 

黎曼是位數(shù)學(xué)奇才，高中時期只用區(qū)區(qū)六天時間完全吸收了《數(shù)論》（Theory of Number)，那是一部八百五十九頁的艱澀巨著。

 

黎曼挑戰(zhàn)希臘幾何學(xué)，認(rèn)為縱然歐幾里德的數(shù)學(xué)運(yùn)算極為精確，它的根基卻只是常識與直覺的流沙，而不是扎實(shí)的邏輯推演結(jié)果。

 

比如，歐式幾何說三角形三個內(nèi)角之和等于一百八十度，但這個看似簡單的問題，在數(shù)學(xué)史上卻從來沒有被嚴(yán)密證明過！而且，假如我們身處彎曲表面的世界，這個公式就不成立了。（行文至此，我們必須向歐幾里德先生表達(dá)誠摯的敬意！每次想到他老人家兩千多年前寫就的《幾何原本》至今仍然是全世界的中學(xué)課本，我就不寒而栗！那些至今未被嚴(yán)密證明過的公理，一個生活于公元前300年的希臘人是如何發(fā)現(xiàn)的吶？如果這個世界有“神跡”，歐先生當(dāng)之無愧是其中之一！）

 

說回到黎曼，他的研究領(lǐng)域甚至延伸到電學(xué)，他認(rèn)為電力與磁力實(shí)際上是同一種作用力的不同表象。據(jù)此他發(fā)展出作用力新解，作出了牛頓兩百年以降的首次劃時代重大突破，徹底推翻了牛頓的超距作用原則，他認(rèn)為：作用力源自于幾何學(xué)，作用力只是由于幾何結(jié)構(gòu)扭曲所造成的必然現(xiàn)象。（牛頓以降，科學(xué)界認(rèn)為作用力是一種兩個遙距物體的即時交互作用，一個物體可以即時影響間隔一段距離的其他物體的運(yùn)動。

 

我們總結(jié)一下黎曼的偉大之處：

 

1、他以多維空間理論簡化了所有自然作用力；認(rèn)為電力與磁力和重力一樣，只是高維空間彎曲產(chǎn)生的結(jié)果。

 

2、他提出了蟲洞（warmholes）的概念，黎曼切口是多重連結(jié)空間的一個最簡單范例。

 

3、他以“場”來描述重力，以“度量張量”（Riemann metric tensor）描述空間里每一個點(diǎn)的重力場。（所謂“度量張量”，其實(shí)就是一組數(shù)字，類似坐標(biāo)。）

 

黎曼英年早逝，并未找出電力與磁力的場方程式，也沒有計(jì)算出空間要褶皺到什么程度才足以描述不同的作用力，這幾項(xiàng)重要發(fā)展留給了麥克斯韋爾和愛因斯坦。

 

 

我們贊美陽光！它不僅孕育了的生命，同時也照亮了人類的思想。愛因斯坦，是那個御光飛行、穿越時空的人。

 

愛因斯坦小時候，常以簡單問題自問自答：“如果你追上一束光線，它看起來是什么樣子？你會不會看到一束靜止的光波，凍結(jié)在時間中？”這個問題，讓他在后五十年里，帶領(lǐng)人類走進(jìn)了時空神秘之旅。

 

十六歲時，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)世界上似乎并沒有能夠追上光速的東西。二十六歲時，他用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)證明了這一發(fā)現(xiàn)。在瑞士專利局擔(dān)任低階職員的他，用麥克斯韋爾的場方程式推導(dǎo)出狹義相對論（special relativity）。

 

用一句話概括狹義相對論，那就是：光速在任何恒動架構(gòu)里恒為常數(shù)。這個定理表面上看并不顯眼，但確是人類心靈的最偉大成就之一！

 

愛因斯坦指出，無論我們怎樣加速，無論我們自身的速度如何，人們所能測量的光速是一樣的。

 

對于這一結(jié)論，愛因斯坦給出了超脫凡俗的解釋，他認(rèn)為：導(dǎo)致這個結(jié)果的原因是：時間變慢了！（這是石破天驚的一句）也就是說，我們移動的越快，我們的時鐘就走得越慢，我們的量尺也越短，所以，我們測量的光速是不變的。

 

愛因斯坦進(jìn)一步思考：那么，幾乎所有的物體都必須使用時鐘與量尺來測量，既然時間和量尺都是變化的，所以我們必須校正所有的物理量（quantity），于是他導(dǎo)出了下一個重大的結(jié)論：質(zhì)量是從能量來的。

 

這個結(jié)論，一舉推翻了十九世紀(jì)的兩大物理發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量守恒和能量守恒。自此以后，質(zhì)量與能量被視為單一單位：質(zhì)-能（matter-energy）。

 

二十六歲的愛因斯坦同時給出了質(zhì)能變動的方程式，那就是著名的E＝mc²。

 

讓我們再來追尋一下狹義相對論的推導(dǎo)過程：

 

光速恒定?時間變慢?質(zhì)量不恒定?“質(zhì)量-能量”相互轉(zhuǎn)換E＝mc²

 

俠義相對論，統(tǒng)一了“時-空”，也統(tǒng)一了“質(zhì)-能”。

 

統(tǒng)一了“時-空”以及“質(zhì)-能”之后的愛因斯坦，進(jìn)一步思考“時空”與“質(zhì)能”之間的關(guān)系，也就是狹義相對論所忽略的加速度，還有重力。 

 

這導(dǎo)致了他的下一個巨大成就：廣義相對論。

 

 

再次，愛因斯坦由一個簡單問題開始：“如果一個人處于自由落體狀態(tài)，他就不會感覺到自己的體重？”愛因斯坦透過這個簡單問題掌握了重力的基本特性：在加速度架構(gòu)下的自然律和重力場的定律是一樣的。這就是所謂等效原理（equivalence principle）。

 

透過等效原理，愛因斯坦重新思考關(guān)于光速的問題：光速會受重力影響嗎？答案是肯定的，重力場會扭曲光線的行進(jìn)路線。

 

但是！但是，根據(jù)費(fèi)瑪最短時間原理，光線會采取兩點(diǎn)之間的最短時間路徑，愛因斯坦再次得出一個令人震懾的結(jié)論：如果我們可以觀測到光線以曲線前進(jìn)，那就意味著空間本身是彎曲的！（光以曲線前進(jìn)這一預(yù)測，已經(jīng)被后人的無數(shù)次實(shí)驗(yàn)反復(fù)證明。）

 

 

 

偉大的愛因斯坦進(jìn)一步得出結(jié)論：質(zhì)能的存在造成周圍時空的彎曲。

 

我們前面講過，數(shù)學(xué)家黎曼早在一八五四年就提出了作用力與空間彎曲的關(guān)系，并提出了重力場論。愛因斯坦利用黎曼的研究成果，用數(shù)學(xué)形式表達(dá)了他自己的物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，這就是廣義相對論（general relativity）。

 

讓我們再來追尋一下廣義相對論的推導(dǎo)過程：

 

光線以曲線前進(jìn)＋光線走兩點(diǎn)間最短時間路徑⇒空間是彎曲的⇒“質(zhì)-能”造成“時-空”彎曲⇒力學(xué)＝幾何學(xué)

 

愛因斯坦的偉大，止步于他的第三次嘗試。

 

在狹義和廣義相對論之后，他終其一生研究統(tǒng)一場論（unified field theory ），簡單說，就是試圖尋找一個公式，能夠同時描述光與重力。可惜，他最終沒有成功。

 

對這一問題給出答案的，是Theodor Kaluza和Oskar Klein兩位科學(xué)家，他們的理論我們稱之為“克魯查-克萊因理論”，簡單說，這個理論就是：在五維空間里，將光與重力的理論統(tǒng)一了起來。

 

可是，第五維到底在哪里？克魯查說：第五維已經(jīng)崩解成一個圓圈，它的體積實(shí)在太小了，連原子都裝不下，因而也無法測量。一九二六年，克萊因甚至計(jì)算出第五維的尺寸只有10E－33公分（10的負(fù)33次方），而探測如此微小距離所需要的能量也就是是所謂蒲朗克能量（Planck energy），相當(dāng)于10E 20億電子伏特，百萬兆倍于質(zhì)子蘊(yùn)藏的能量。

 

克魯查-克萊因理論在當(dāng)時并未收到廣泛關(guān)注和普遍認(rèn)同，領(lǐng)一時風(fēng)氣之先的是另一套全新的理論：量子力學(xué)（quantum mechanics）（碼了這么多字，原子物理學(xué)家終于登場了！）

 

 

一九二五年，以薛丁格（Erwin Schr?dinger）和海森堡（Werner Heisenberg）為代表的一組科學(xué)家，已經(jīng)對原子運(yùn)動給出了幾近完整的數(shù)學(xué)描述，我們稱之為量子力學(xué)。

 

這是一套與黎曼、愛因斯坦學(xué)說迥異的解釋自然力的理論，它的主要理論觀點(diǎn)包括：

 

1、作用力是由于不連續(xù)的能量包交換而產(chǎn)生（也就是量子：quanta）；

 

2、不同的作用力的產(chǎn)生來自于不同量子的交換；

 

3、我們永遠(yuǎn)無法同時知道次原子粒子的速度及其位置；

 

這就是著名的海森堡測不準(zhǔn)定理，這個聽起來不怎么靠譜的定理，卻是半個世紀(jì)以來最經(jīng)得起任何實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)的一個定理，至今，還沒有任何一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果違背了這一條定理。

 

所謂次原子粒子：就是比原子還要微小的粒子。海森堡測不準(zhǔn)定律在哲學(xué)上的意義在于，它從物質(zhì)構(gòu)成的最底層，將所有事物的產(chǎn)生和構(gòu)成，都解釋為機(jī)率的一個表現(xiàn)，而不是一個必然的結(jié)果！換句話說，就是沒有所謂客觀存在，也沒有所謂必然結(jié)果。這一條，徹底撼動了唯物主義的基石。

 

4、粒子有可能以有限機(jī)率進(jìn)行穿隧或量子跳躍，并穿越不可浸透的障礙物。

 

聽起來各種不靠譜是嗎？但是！這個理論不僅反復(fù)被實(shí)驗(yàn)證明，而且人們甚至根據(jù)該理論制造出了隧道二極管（tunnel diode，或稱江崎二極管）。

 

量子力學(xué)以光子（也就是光的量子）為例，認(rèn)為弱作用力和強(qiáng)作用力是源于能量量子的交換，并稱之為“楊－米場”，這是楊振寧和他的學(xué)生米爾斯于一九五四年發(fā)現(xiàn)的理論。

 

你造嗎？楊老師年輕的時候有多牛逼！到一九七O年代，楊－米場已經(jīng)可以解開所有核子物質(zhì)的秘密，可以解釋有關(guān)于次原子粒子的任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在解釋電子與光的交互作用時，其精確度達(dá)到千萬分之一，號稱是有史以來最精確的理論。科學(xué)界對這個理論如此有信心，以至于稱之為“標(biāo)準(zhǔn)模型”（Standard Model）。

 

量子力學(xué)經(jīng)過五十年的發(fā)展，成功地整合了四種自然作用力的三種：強(qiáng)作用力＋弱作用力＋電磁力。但是，包括楊振寧本人在內(nèi)的許多科學(xué)家都認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)模型一定不是最終的大一統(tǒng)理論，主要原因是該模型并不包括重力！

 

歷史地看，可以這么說：量子力學(xué)只是根據(jù)次原子粒子的部分外表特性做了整理，卻未對它們的來源做出任何說明。

 

 

統(tǒng)合量子理論和重力，以創(chuàng)造出一個“萬有理論”（Theory of Everything），這個問題挫折了二十世紀(jì)最聰明的心智，包括愛因斯坦、海森堡等等一眾科學(xué)界的巨擎和大碗，但均不可得。

 

一九七六年，紐約州立大學(xué)石溪分校的三位物理學(xué)家寫下了超重力理論。簡單說，這個理論對黎曼的“度量張量”模型進(jìn)行研究，幾乎實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦統(tǒng)合已知作用力的夢想。

 

他們發(fā)現(xiàn)，在一個十一維的度量張量模型里，包含了自然界里幾乎所有的粒子與作用力：愛因斯坦的重力理論、楊－米場與麥克斯韋爾場、還有夸克與輕子。如圖所示：

 

 

 

（圖中的括弧，代表一個十一維的黎曼度量張量場。如果把它簡化成四維，就是愛因斯坦的重力場；提高它的維度數(shù)，我們就可以推導(dǎo)出麥克斯韋爾方程組和標(biāo)準(zhǔn)化模型；最終，在十一維度，統(tǒng)合了代表四種作用力的所有方程組。） 

 

超重力理論雖然在模型上統(tǒng)合了四種作用力，但它的缺陷在于在很多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上沒有具體量化的數(shù)學(xué)模型和公式。所以只能成為邁向宇宙統(tǒng)一理論慢慢征途上的一塊鋪路石。新的，也是最強(qiáng)大有力的物理學(xué)計(jì)劃已經(jīng)登場，它就是：超弦理論（Superstring Theory）。

 

 

一九六八年，超弦理論被意外發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，兩位年輕的理論物理學(xué)家在歐洲核子研究中心（CERN）意外發(fā)現(xiàn)十九世紀(jì)數(shù)學(xué)家尤拉完成的尤拉貝塔函數(shù)（Euler beta funcation）竟然符合幾乎所有描述基本粒子強(qiáng)交互作用所需的全部特質(zhì)。

 

什么是弦論呢？愛因斯坦在后半生中，一直在尋找統(tǒng)一場論，即一個能在單獨(dú)的包羅萬象的數(shù)學(xué)框架下描寫自然界所有力的理論。他渴望以前人從未成功達(dá)到過的清晰來揭示宇宙活動的奧秘，由此而展示的自然界的動人美麗和優(yōu)雅。

 

如今，相當(dāng)一部分物理學(xué)家相信他們終于發(fā)現(xiàn)了一個框架，有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體：一個單一的理論，一個能描述一切現(xiàn)象的理論，這就是弦論。它正在實(shí)現(xiàn)當(dāng)年愛因斯坦?jié)M懷熱情追求的統(tǒng)一理論的理想。

 

弦論可以用來描述引力和所有基本粒子。它的一個基本觀點(diǎn)就是自然界的基本單元, 如電子、光子、中微子和夸克等等, 看起來像粒子，實(shí)際上都是很小很小的一維弦的不同振動模式，正如小提琴上的弦。

 

弦理論中的宇宙弦(我們把弦論中的弦稱作超弦,以免與普通的弦混淆)可以作某些模式的振動。每種振動模式都對應(yīng)有特殊的共振頻率和波長。所有的基本粒子, 如電子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發(fā)態(tài)。

 

每條宇宙弦的典型尺度約為長度的基本單位，即普朗克長度（10E -33厘米）。弦實(shí)在是太細(xì)微了，從遠(yuǎn)處觀察，我們實(shí)在無法區(qū)分它究竟是弦的共振還是粒子。只有當(dāng)我們把粒子放大，我們才能看出那根本不是一個點(diǎn)狀粒子，而是一種振動弦。

 

按照超弦理論，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相當(dāng)于琴弦的合音定律。弦論博大精深，可以解釋所有的自然基本定律。

 

簡言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦組成的大海，那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它們不斷在產(chǎn)生, 也不斷在湮滅。我們現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界, 其實(shí)是宇宙弦演奏的一曲壯麗的交響樂 !

 

甚至包含生命復(fù)雜信息和編碼的去氧核糖核酸（DNA）分子，也是類似弦的結(jié)構(gòu)。弦，是能夠儲存大量數(shù)據(jù)的最精簡的方式之一。

 

超弦理論，以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的弦場理論，統(tǒng)合了所有的自然律和作用力，菲爾茲獎?wù)拢ㄖZ貝爾獎沒有設(shè)立數(shù)學(xué)獎，菲爾茲是數(shù)學(xué)界的最高獎項(xiàng)）獲得者維藤說：“所有物理學(xué)上的偉大思想，都是超弦理論的副產(chǎn)品。”

 

 

超弦理論似乎包含了所有的物理學(xué)知識，極其廣博精深。許多科學(xué)家認(rèn)為，這是二十一世紀(jì)的物理學(xué)，意外落入二十世紀(jì)，但是人類還沒有發(fā)明二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)，來精確描述它。

 

有一個重大秘密：我們只能在二十六維與十維中定義弦論，否則就無法用弦論整合已知的物理定律。解開這個秘密的，是堪比當(dāng)年黎曼的另一位數(shù)學(xué)天才羅摩奴詹（Srinivasa Ramanujan）。

 

羅摩奴詹一八八七年出生于印度，少時坎坷，甚至沒有通過升高三的考試。二十六歲那年，他給著名數(shù)學(xué)家哈代寫了一封信，信中包含了一百二十個定理。這位貧窮孤立的印度哥們，完全不知道歐洲數(shù)學(xué)界的任何研究資訊，純粹憑個人才智、按照自己的方法，重新推導(dǎo)出歐洲百年數(shù)學(xué)史的所有重要定律。

 

羅摩奴詹的研究成果包含了三冊四百多頁的筆記，其中包含了四千多個公式。后人在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了羅摩奴詹模函數(shù)（Ramanujan funcation），這是一個奇特的包含了高達(dá)二十四次乘冪的數(shù)學(xué)式。這些數(shù)學(xué)式證明：弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說，產(chǎn)生我們現(xiàn)存宇宙的那個高維度宇宙，它的維度數(shù)一定是十！（1994年開始了弦論的第二次革命。此后誕生的“M理論”被認(rèn)為是最新的大一統(tǒng)理論模型，M理論認(rèn)為：歷史上五種不同的弦論在本質(zhì)上被證明是等價的，它們可以從11維時空的M理論導(dǎo)出。）

 

寫到這兒，這一段物理詩史基本可以告一段落。從黎曼、愛因斯坦的重力場，到量子力學(xué)，到超重力論，到超弦理論，到M理論，人類歷史上這些偉大的智慧頭腦，前赴后繼探尋宇宙的真理，已經(jīng)為我們描述了宇宙誕生的全過程，也就是開始于10E－34秒的創(chuàng)世時間表。

 

讓我們一起看看，弦論以降，科學(xué)到底是怎樣解釋我們所存在的這個宇宙的：

 

 

一、宇宙的誕生

 

正如我們之前所介紹的那樣，創(chuàng)世的剎那，開始于“大爆炸”Big Bang，自10E－34秒開始，歷經(jīng)150億年形成我們今天的宇宙。

 

宇宙“大爆炸”的實(shí)驗(yàn)證據(jù)主要有以下四點(diǎn)：

 

1、經(jīng)由測量恒星光線的扭曲的現(xiàn)象，一再證實(shí)恒星正以高速遠(yuǎn)離我們而去，而且，離我們越遠(yuǎn)的恒星或星系，會以越高的速度遠(yuǎn)離我們而去；

 

2、“大爆炸”理論預(yù)測宇宙中氦與氫的比例應(yīng)該接近25% : 75%，實(shí)際測量數(shù)據(jù)與該預(yù)測高度吻合；

 

3、通過對放射性物質(zhì)衰變的測量，我們可以為地球上的巖石和隕石斷年，目前沒有發(fā)現(xiàn)任何物體可以追溯到“大爆炸”之前；

 

4、“大爆炸”產(chǎn)生了宇宙回音，這種微波輻射至今仍在宇宙回響，一九六五年，人類偵測到了這個微波背景輻射（microwave backgroundradiation）。

 

二、宇宙的滅亡

 

我們先看看每顆恒星的生命歷程： 

 

恒星由大量氫氣聚合形成，氫元素融合形成氦，由于氫質(zhì)子的重量超過氦質(zhì)子的重量，因此氫聚合成氦時就會有多余的質(zhì)量，這些質(zhì)量依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)－能公式 E＝mc²成為能量，這個能量將原子核束縛在一起，并將部分能量釋放出來，使太陽發(fā)光發(fā)熱。

 

 

 

之后，經(jīng)過數(shù)十億年光陰，氫氣逐漸耗盡，核熔爐逐漸熄滅，重力成為優(yōu)勢作用力使恒星兩次塌陷，恒星溫度此時會急劇升高，成為“紅巨星”，再然后成為“白矮星”，“白矮星”爆炸成為“超新星”和“中子星”，“中子星由于重力繼續(xù)塌陷，最后成為“黑洞”。

 

在這一歷程中，恒星內(nèi)部的元素按照“結(jié)合能量曲線“依次變化。

 

 

 

恒星中的氫元素按照這個曲線一再融合成為更重元素之后便會到達(dá)鐵，而無法再制造出額外的能量，這時，恒星崩潰并釋放出大量熱量，超新星于焉誕生，這種劇烈爆炸將星體炸碎并將殘骸遍灑星際空間，成為孕育新恒星的種子。

 

在描述完恒星的生命周期后，我們再看看包含無數(shù)顆恒星并見證無數(shù)次恒星生滅的宇宙本身，它將何去何從？

 

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，宇宙的結(jié)局無限悲泣。要么，就是不斷膨脹，直到溫度接近絕對零度；要么，就是大崩墜，收縮成一團(tuán)火球。如果宇宙是一個無限邊界的開放宇宙，它就會被“冰”毀滅；如果宇宙是一個有邊界的封閉宇宙，它就會被火毀滅。

 

物理學(xué)家通過平均密度來判斷宇宙到底是不斷膨脹還是會逆轉(zhuǎn)走向大崩墜，如果宇宙平均密度小于10E－29 克/立方公分，宇宙就會不斷膨脹，否則，將會陷入大崩墜。

 

量子力學(xué)還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質(zhì)子和中子衰變。根據(jù)大一統(tǒng)理論，我們所知道的一切物質(zhì)，包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內(nèi)的質(zhì)子和中子最終都會分解。

 

 

在了解了恒星乃至整個宇宙的生命歷程之后，必須要回答的問題是：在這個剎那之前吶？是否有那個第一推動力？或者說，是否有那個點(diǎn)燃Big Bang的上帝存在吶？

 

數(shù)百年來，伴隨著科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不斷積累，宗教界關(guān)于上帝存在的堅(jiān)持已經(jīng)退守到這樣一個境地，那就是說：大霹靂之前到底發(fā)生了什么？牛頓生前并沒有能夠解答這個關(guān)于“第一推動”的問題，他把它歸功于“上帝之手”。

 

但事實(shí)上，以超弦理論為集大成者，今天的科學(xué)家群體，不僅給出了Big Bang創(chuàng)世之后的宇宙發(fā)展歷程（包括宇宙消亡的歷程），同時也給出了Big Bang之前的宇宙存在的假說，那就是關(guān)于平行宇宙、黑洞、蟲洞等相關(guān)理論。這些理論在解答了“第一推動”這個疑問的同時，再次撼動了上帝存在的證明。

 

昔日尼采有言“上帝已死”，現(xiàn)在霍金在《大設(shè)計(jì)》第一頁上就宣稱“哲學(xué)已死”，因?yàn)?ldquo;哲學(xué)跟不上科學(xué)，特別是物理學(xué)現(xiàn)代發(fā)展的步伐”。這是一個極為傲慢的“宣言”。他的意思是，世界本源是所有哲學(xué)流派的終極思考，而現(xiàn)在科學(xué)界已經(jīng)給出了世界本源和宇宙發(fā)展的全部解釋，所以，哲學(xué)的使命已經(jīng)終結(jié)了。

 

的確！“唯物”、“唯心”，甚至“客觀存在”，都已經(jīng)被量子理論、超弦理論徹底動搖！

 

與此同時，上帝也被霍金“掃地出門”，他在《大設(shè)計(jì)》末尾宣稱：因?yàn)榇嬖谙褚@樣的法則，所以宇宙能夠“無中生有”，自發(fā)生成可以解釋宇宙為什么存在，我們?yōu)槭裁创嬖凇Ｋ?ldquo;不必祈求上帝去點(diǎn)燃導(dǎo)火索使宇宙運(yùn)行”。也就是說，上帝現(xiàn)在不再是必要的了。（請參看霍金《哲學(xué)已死》，朱清時《物理學(xué)步入禪境：緣起性空》）

 

 

黑洞是使霍金名滿天下的研究，在那之后，他創(chuàng)立了量子宇宙學(xué)（quantum cosmology），以愛因斯坦的古典宇宙學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，再將整個宇宙量子化，試圖完成那個前輩物理學(xué)家的未竟事業(yè)“統(tǒng)一場論”，統(tǒng)合小到夸克、大到銀河星際甚至整個宇宙的所有自然律。事實(shí)上，霍金的理論甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的宇宙！

 

他的新構(gòu)想是將整個宇宙看成一個量子粒子，用宇宙波函數(shù)來描述多重宇宙（不止一個，是無數(shù)個宇宙）的無窮集合。按照霍金的理論，我們的宇宙，只是無數(shù)的平行宇宙之一，每個宇宙都透過復(fù)雜的蟲洞系統(tǒng)與其他宇宙相連結(jié)。

 

 

 

如果霍金說的沒錯，世上就存在著無數(shù)的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常數(shù)，大多數(shù)宇宙都是一片死寂，不具備孕育生命的物理定律。但是在某一個宇宙中，它的物理定律恰好符合生命的條件，這就是我們的宇宙。

 

如果這種理論屬實(shí)，我們就不必把生命的起源歸諸于上帝。

 

 

前文說過，太陽系乃至這個宇宙，終究難逃消亡的命運(yùn)。那么，智慧生物是否作為宇宙的一部分因而最終難逃滅亡的宿命吶？

 

我們的希望，就在十維宇宙和超弦理論！

 

按照超弦理論，我們的宇宙誕生于一個十維宇宙，由于這個十維宇宙的對程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在“大爆炸”時分解為一個四維宇宙（我們現(xiàn)在的宇宙）和一個六維宇宙。四維急劇膨脹，歷經(jīng)150億年形成了我們今天的宇宙；而六維宇宙則急劇收縮成為一個10E－32公分的微小世界。

 

這個六維宇宙在哪里？它就在我們的周圍！只是因?yàn)樗⑿∫灾劣跓o法觀測得到。假如，我們能夠觀測得話，它會是什么樣子吶？這是近幾十年內(nèi)大量數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家研究的課題。其中，以華裔科學(xué)家丘成桐命名的卡拉比－丘流形是比較得到認(rèn)可的一個答案。

 

 

 

上圖是一個六維卡拉比－丘流形的二維截面圖。也是說，該圖相當(dāng)于是一個六維空間的“影子”。

 

接著說，當(dāng)我們的四維宇宙崩潰時，與大爆炸那一刻相反，原本收縮的那個六維宇宙開始慢慢展開，智慧生物有機(jī)會在這一個瞬間，由四維宇宙逃入六維宇宙，獲得新生。

 

這一個過程，需要我們掌握更強(qiáng)大的力和能量，才能駕控宇宙，獲得新生。舉例說：那時我們需要極高速的宇宙飛船，但根據(jù)狹義相對論我們知道我們永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速，那么我們怎么跨越動輒以光年計(jì)數(shù)的漫漫長路吶？不違反愛因斯坦的自然律而又能夠?qū)崿F(xiàn)可能的時空跨越的方法，就是人為把時空彎曲。

 

打一個容易理解的比方，就好比在地毯的另一邊有一個瓶子，我們不需要走到地毯的那一邊去拿到它，我們可以坐在原地，把地毯逐漸拉向我們，通過使地毯逐漸卷曲，來拉近我們和瓶子的距離，以這樣的方法最終拿到瓶子。

 

這就是不需要跨越距離，但是卻可以從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)的方法：彎曲時空。而彎曲時空所需要的能量，是我們現(xiàn)在所掌握能量的一千億倍。這就是統(tǒng)合自然力的目的所在。

 

前文說到，量子力學(xué)還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質(zhì)子和中子衰變。根據(jù)大一統(tǒng)理論，我們所知道的一切物質(zhì)，包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內(nèi)的質(zhì)子和中子最終都會分解。

 

那時，智慧生物就需要用新的質(zhì)子和中子合成新的原子核。這同樣需要巨大的能量，和彎曲時空所需要的數(shù)量級相當(dāng)。這也是統(tǒng)合自然力的意義所在。

 

 

我們贊美數(shù)百多年來科學(xué)進(jìn)步過程中的這些先驅(qū)，是他們智慧的心智，讓我們?nèi)祟愔粦{借頭腦和一些工具，就可以計(jì)算出支配數(shù)十億光年外的物質(zhì)的定律，我們只有微不足道的能源，甚至還沒有離開太陽系，但我們已經(jīng)知道恒星深處的核子反應(yīng)或原子核內(nèi)的情況。

 

我們在這個不起眼的小行星上發(fā)現(xiàn)的物理定律，卻適用于宇宙的各個角落，我們的思想能了解并控制星星的宇宙法則，我們體內(nèi)的原子原是某個恒星的核融合反應(yīng)的產(chǎn)物，我們的原子比山的年代還久遠(yuǎn)，我們是由宇宙塵造成的，這些原子又凝聚成能了解宇宙法則的智慧生物。

 

讓我們以霍金的一段話作為結(jié)語：

 

“如果我們真能發(fā)現(xiàn)一個完全的理論，如果我們能討論出答案，這將是人類理智的最大成就－屆時我們就能知道上帝的想法了。”

 

附文：

 

世界上最前沿的那些實(shí)驗(yàn)室究竟長啥樣？

 

 

 

科研是一項(xiàng)非常枯燥的工作，離不開常年累月的實(shí)驗(yàn)、無盡的公式和理論，但在我們這些外人看來，很多前沿科學(xué)領(lǐng)域都充滿了科幻電影的味道。實(shí)驗(yàn)室里各種高能的“大玩具”、密集的線纜和神秘的光線，一定程度上也滿足了人們對科幻的幻想。一起來欣賞一下這些世界上最先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里面的樣子。

 

 

美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源ALS項(xiàng)目，它是世界上紫外線和軟X射線束流最亮的光源

 

 

歐洲同步輻射光源ESRF真空波蕩器

 

 

美國斯坦福大學(xué)軟X射線裝置

 

 

科學(xué)家在利用加拿大光源（CLS）的REIXS（X射線散射）研究科研樣本

 

 

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置，這一套裝置最終目的是讓192臺激光裝置在十億分之一秒內(nèi)同時發(fā)射并擊中鉛筆頭大小的燃料球。

 

 

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在的主要任務(wù)是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬核試驗(yàn)和對國家核武庫的管理。通過利用實(shí)驗(yàn)設(shè)施可以對核爆進(jìn)行完全的模擬而不需要真正地引爆核彈。

 

 

歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的超環(huán)面儀器（ATLAS）行的線纜。該機(jī)構(gòu)的主要功能是為高能物理學(xué)研究的需要，提供粒子加速器和其它基礎(chǔ)設(shè)施。

 

 

美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室，這里主要研究各種核材料

 

 

阿德菲實(shí)驗(yàn)中心里的紅外激光實(shí)驗(yàn)

 

 

北卡羅來納電子顯微鏡

 

 

美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)。在這里科學(xué)家首次觀察到了新型反物質(zhì)反氦-4，這是迄今科學(xué)家觀察到的最重反物質(zhì)。

 

 

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室Z機(jī)器，該實(shí)驗(yàn)室主要研究的熱核反應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)室的加速器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量閃電狀電弧。

 

 

費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室MINOS（主注入器中微子震蕩尋找）實(shí)驗(yàn)中的一部分儀器。

 

 

杰斐遜實(shí)驗(yàn)室低溫恒溫組超導(dǎo)諧振器

 

 

澳大利亞特高壓實(shí)驗(yàn)室

 

 

斯坦福大學(xué)利用激光對晶體進(jìn)行測試

 

看了那么多國外的實(shí)驗(yàn)室，也展示一下我們物理所兩個實(shí)驗(yàn)室的圖片

 

 

物理所微加工實(shí)驗(yàn)室電子束曝光系統(tǒng)

 

 

物理所極端條件實(shí)驗(yàn)室高頻電磁感應(yīng)爐

 

來源：中科院物理所（ID：cas-iop）  轉(zhuǎn)自工業(yè)智能化微信號