本字幕由TME AI技术生成
第六十一集
在统一这个广义相对论和量子论的慢慢征途中
物理学家呢
一开始采用的是较为温和的办法
他们试图采用老的战术
也就是啊
在征讨强弱作用力和电磁力时呢
用过的那些行之有效的手段
把它同样用在引力的身上
在相对论里
引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应
而正如我们所看到的
量子场论呢
把基本的力看成是交换粒子的作用
比如电磁力是交换光子
强相互作用呢
是交换交子
弱相互作用力啊
是交换中间波色子
那么引力
莫非也是交换某种粒子的结果
在还没有见到这个粒子之前
人们已经为它取好了名字
就叫引粒子
根据预测
它应该是一种自旋为二
没有质量的波色子
可是
要把所谓引粒子和光子等一视同仁的处理
人们马上就发现
他们注定要遭到失败
在量子厂论内部呢
无论我们如何耍弄小聪明
也没法叫引力子乖乖听话
计算结果呢
必定导致无穷的发散下无穷大
我们还记得
在量子场论创建的早期
物理学家是怎样被这个无穷大的幽灵所折磨的
而现在的情况甚至更糟
就算运用重政化方法
我们也没法把他从理论中赶跑
在这场战争中呢
我们初战告负
现在一切温和的统一之路都被切断
量子论和广义相对论互相怒目而视
做了最后的割席决恋
我们终于认识到
他们是互不相容的
没法叫他们正常的结合在一起
物理学的前途顿时又笼罩在一片阴影之中
相对论的支持者固然不愤气
拥护量子论的人们也有些踌躇不前
你要是狠下心强攻的话
结局说不定比当年的爱因斯坦更惨
但要是战略退却
物理学岂不是从此就陷入了分裂而不可自拔了
新希望呢
出现在一九六八年
但却是由一个极为偶然的线索开始的
它本来跟引力毫无关系
那一年啊
欧洲核子研究组织的意大利物理学家维尼基亚诺随手翻阅了一本数学书
在上面找到了一个叫做欧拉贝塔函数的东西
维尼基亚诺呢
顺手把它运用到了所谓的雷击轨迹的问题上面
做了一些计算
结果惊讶的发现
这个欧拉早于一七七一年就出于纯数学原因而研究过函数
它竟然能够很好的描述核子中啊
许多强相对作用力的效应
维尼吉亚诺呢
没有预见到后来发生的变故
他也并不知道他打开的是怎样一扇大门
事实上
他很有可能无意中做了一件使我们超越了时代的事情
威顿后来常常说啊
超鲜本来是属于二十一世纪的科学
我们得以在二十世纪就发明并研究它
其实是历史上非常幸运的偶然
维尼基亚诺模型呢
不久后被三个人几乎同时注意到
他们是芝加哥大学的南部杨伊朗
耶西华大学的萨斯金和波尔研究所的尼尔森
三个人分别证明了这个模型在描述粒子的时候
它等于效于描述一根一维的弦
这可是非常稀奇的结果
在量子场论中呢
任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点
怎么会变成了一根弦呢
虽然这个结果出人意料
但加州理工的施瓦茨仍然与当时啊
正在那里访问的法国物理学家谢尔克合作研究了这个理论的一些性质
他们把这种弦呢
当做束缚夸克的纽带
也就是说啊
夸克是绑在弦的两端的
这使得他们永远也不能单独从核中被分割出来
这听上去不错
但是他们计算到最后呢
发现了一些古怪的东西
比如说啊
理论要求一个自悬为二的零质量粒子
但这个粒子呢
却在核子家谱中找不到位置
你可以想象一下
如果某位化学家找到了一种无法安插进周期表里面的元素
它将会如何抓狂呢
还有
理论还预言了一种比光速还要快的粒子
也及所谓的快子
大家可能会首先想到啊
这违反相对论
但严格的说呢
在相对论中呢
快子可以存在
只要它的速度永远不降到光速以下
真正的麻烦在于什么呢
在于如果这种快子被引入量子场论
那么真空就不再是场的最低能量台了
也就是说
连真空也会变得不稳定
它必将衰变成为别的东西
这显然是胡说八道啊
更令人无法理解的是啊
如果贤论想要自圆其说
他就必须要求我们的时空是二十六维的
平常的时空啊
我们都容易理解
它有三维空间外加一维时间
那么多出来的二十二维又是干什么的呀
这种引入多维空间的理论呢
以前也曾经出现过
如果大家还记得在我们的史话中
曾经小小的出过一次场的波尔在哥本哈根的助手克莱恩
也许呢
会想起啊
他曾经把这个第五维的思想引入了薛定谔方程
克莱恩从量子的角度出发
而在他之前呢
爱因斯坦的忠实追随者
德国数学家卡鲁扎从相对论的角度也做了同样的尝试
后来人们把这种理论呢
统称为卡鲁扎克莱恩理论啊
或KK理论
但这些理论呢
最终都胎死腹中
的确
很难想象
如何才能让大众相信
我们其实生活在一个超过四维的空间中呢
最后啊
量子色动力学的兴起呢
使得贤论失去了最后的一点吸引力
正如我们在前面所述
量子色动力学呢
成功的攻占了强相互作用力
并占山为王
得到了大多数物理学家的认同
在这样的内外交困中呢
最初的贤论很快就重叛千里
被冷落到了角落中去
在贤论最惨淡的日子里啊
只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈的沿着这条道路前进
一九七一年
施瓦茨和雷蒙等人合作
把原来需要二十六维的贤论呢
简化为 啊
只需要十维
这里面初步引入了所谓超对称的思想
每个波色子啊
都对应于一个相应的废米子
在这儿我们稍微解释一下
这个波色子呢
是自旋为整数的粒子
比如光子
而废米子的自旋呢
则为半整数
如电子
粗略的说啊
这个沸米子呢
是构成物质的粒子
而玻色子呢
则是承载作用力的粒子
与超对称的联盟呢
使得这个贤论获得了前所未有的力量
使它可以同时处理废米子
更重要的是
致使得理论中的一些难题
啊
比如筷子消失了
他在引力方面的光明前景也逐渐显现出来
可惜的是
在贤论刚刚看到一线曙光的时候
谢尔克出师未捷身先死
他患有严重的糖尿病
于一九八零年不幸去世
施瓦茨不得不转向伦敦玛丽皇后学院的迈克尔
格林
两人最终呢
完成了超对称和贤论的结合
他们惊讶的发现
这个理论一下子犹如脱胎换骨
完成了一次强大的升级
现在
老的贤论已经死去了
新生的是威力无比的超贤理论
这个超的心头衔呢
是超对称册封给他的无上荣耀
当把他们的模型用于引力的时候啊
施瓦茨和格林呢
狂喜的都能听见自个儿的心跳声
老的贤论所预言的那个自旋二
质量为零的粒子呢
虽然在强子中找不到位置
但它却符合相对论
事实上
他就是传说中的引力子
在与超对称同盟后啊
新生的超贤活生生的吞并了另外一支很有前途的军队及所谓的超引力理论
现在
谢天谢地
在计算引力的时候啊
无穷大不再出现了
计算结果有限而且有意义
引力的国防军呐
整天警惕的防卫例子的进攻
但当我们不再把粒子当做一个点
而是看成一条弦的时候
我们就得以瞒天过海
暗渡陈仓
绕过那条苦心布置的无穷大防线
从而第一次深入到了引力王国的纵深地带
超弦的本意呢
是处理强相互作用力
但现在
他的注意力完全转向了引力
天呐
要是能征服引力
别的还在话下吗
关于引力的计算呢
完成于一九八二年前后
到了一九八四年
施瓦茨和格林呢
打了一场关键的胜仗
使得超贤惊动了整个武理界
他们解决了所谓的反常问题
本来啊
在超贤中呢
有无穷多种的对称性可供选择
但施瓦茨和格林经过仔细检查后发现
只有在极其有限的对称形态中呢
理论才得以消除这些反常而得以自洽
这样就使得我们能够认真的考察那几种特定的超显理论
而不必同时对付无穷多的可能性
更妙的是
筛选下来的那些群呢
正好可以包容现有的规范常理论
还有例子的标准模型
伟大的胜利呀
第一次超前革命由此爆发了
前不久还对超贤不屑一顾
极其冷落的物理界
忽然像着了魔似的倾注出了罕见的热情和关注
成百上千的人们争先恐后
前仆后继的投身于这一领域
以至于后来的格劳斯说
啊
在我的经历中呢
还从未见过对一个理论有过如此的狂热
短短三年内
超前完成了一次极为漂亮的帝国反击战
将当年遭受的压抑之犯一吐为快
在这期间
像爱德华威顿
还有以格劳斯为首的普林斯顿超弦四重奏小组
都做出了极其重要的贡献
不过我们没法详细描述了
有兴趣的读者呢
可以参考一下有关的资料
啊
第一次革命过后呢
我们得到了这样一个图像
任何粒子其实都不是传统意义上的点
而是开放或者闭合
啊
也就是头尾相接而成还的弦
当它们以不同的方式震动时呢
就分别对应于自然界中的不同粒子
啊 电子 光子
包括引粒子
我们仍然生活在一个十维的空间里
但是有六个维度是紧紧蜷缩起来的
所以我们平时察觉不到它
想象一根水管
如果你从很远的地方看它
它细的就像一条线
只有一维的结构
但当真把它放大来看
你会发现啊
它是有横截面的
这第二个维度呢
就被卷曲了起来
以至于粗干之下分辨不出
在超显的图像里啊
我们的世界也是如此
有六个维度呢
出于某种原因
收缩的非常紧
以至粗看上去啊
宇宙仅仅是四维的
也就是三维空间加一维时间
但如果把时空放大到所谓普朗克空间的尺度上
也就是
也就是啊
十的负三十三次方厘米
这时候我们会发现
原本当做是时空中一个点的东西
其实啊
竟然是一个六维的小球
这六个蜷缩的维度不停的扰动
从而造成了全部的量子不确定性
这次革命呢
使得超前名声大振
引然成为了众望所归的万能理论候选人
当然
也有少数物理学家呢
仍然对此抱有怀疑态度
比如格拉肖
费因曼
霍金呢
对此也不怎么热情
大家或许还记得
我们前面描述过啊
在阿斯派克特实验后呢
BBC的布朗和纽卡斯尔大学的戴维斯啊
对几位量子论的专家做了专门访谈
现在啊
当这个超贤热在物理界方兴未艾之际
这两位仁兄也没闲着
他们再次出马
邀请了九位在贤论和量子场论方面最杰出的专家到bbc做了访谈节目
这些记录呢
后来同样被集合在了一起
于一九八八年以超贤万能理论为名
由剑桥出版社出版
阅读这些记录呢
可以发现啊
专家们虽然吵的不像量子论那样厉害
但其中的分歧仍然是明显的
当年以叛逆和搞怪闻名于世的费因曼甚至以一种饱经沧桑的态度说
他年轻时呢
注意到许多老人迂腐的抵制新思想啊
比如爱因斯坦的抵制量子论
但当他自己也成为一个老人时呢
他竟然也身不由己的做起了同样的事儿
因为一些新思想的确古怪
比如显论
人们自然而然的问
为什么有六个维度是蜷缩起来的呢
这六个维度有何不同之处
为什么不是五个或者八个维度蜷缩
这种蜷缩的拓扑性质是怎样的
有没有办法证明它呀
因为弦的尺度是如此之小
所以人们缺乏必要的技术手段用实验去直接认识它
而且闲论的计算是如此繁难
不用说解方程了
就连方程本身
我们都无法确定
而只有采用近似法
更糟糕的是
当第一次革命过去后呢
人们竟然大浪淘沙
筛除掉了大量的可能的对称
却仍然有五种超前理论被保留了下来
每一种理论呢
都采用了十维时空
也都能自圆其说
这五种理论
究竟哪一种才是正确的
人们一鼓作气冲到这里
却发现啊
自个儿被困住了
贤论的热潮呢
很快消退了
许多人呢
又回到了自己的本职领域中去
第一次革命啊
尘埃落定
一直要到九十年代中期
超贤才再次从沉睡中苏醒过来
完成一次绝地反攻
这次唤醒他的呢
是爱德华威顿啊
一九九五年呢
南加州大学召开的超贤年会上
威顿让所有的人都吃惊不小
他证明了
不同耦合常数的贤论在本质上其实是相同的
我们只能用微扰法处理弱耦合的理论
也就是说啊
耦合常数很小
在这样的情况下呢
五种贤论看起来相当不同
但是
假如我们逐渐放大偶合常数
会发现
它们其实是一个大理论的五个不同的变种
特别是呢
当耦合常数被放大时
出现了一个新的维度
第十一维
这就像一张纸只有二维
但你把许多纸叠在一起呢
就出现了一个新的维度高度
换句话说啊
存在着一个更为基本的理论
现有的五种超显理论呢
都是他在不同情况下的极限
他们是互相包容的
这就像那个著名的预言
盲人摸象
有人摸到鼻子
有人摸到耳朵
有人摸到尾巴
虽然这些人的感觉非常不同
但他们摸到的却是同一头像
只不过每个人摸到了一部分而已
格林在一九九九年的畅销书宇宙的秦贤中呢
举了一个相当搞笑的例子
我们呢
把它发挥一下啊
想象一个热带雨林中的土著
喜欢水
却从未见过冰
与此相反呢
一个爱斯基摩人喜欢冰
但因为他生活的地方太寒冷
从未见过液态的水的样子
无疑啊
这个现实中的爱斯基摩人呢
肯定是见过这液态水
但是
我们可以进一步想象啊
某个生活在土星光环上的生物
那就差不多了
两个人呢
某天在沙漠中见面
为各自的爱好呢
吵的是不可开交
但奇妙的事发生了
在沙漠炎热的白天呢
爱斯基摩人的冰融化成了水
而在寒冷的夜晚呢
水又重新冻结成了冰
两人终于意识到
原来他们喜欢的其实是同一样东西
只不过在不同条件下
形态不同罢了
这样一来呢
五种超前就被包容在一个统一的图像中
物理学家们终于可以松一口气了
这个统一的理论呢
被称为m理论
这个m确切代表什么意思啊
大家众说纷纭
或许发明者的本意呢
是指母亲mother
说明它是五种超前的母理论
但也有人认为啊是神秘
或者矩阵
或者魔啊
有些中国人呢
喜欢称之为啊摸论
一指啊盲人摸相貌
在m理论中呢
时空变成了十一维
由此可以衍生出所有五种十维的超限论来
事实上
由于多了一维
我们另外有一个超引力的变种
因此呢
一共是六个衍生品
这时候啊
我们在考察时空的基本结构
会发现
它并非只能是一维的弦
而同样可能是零维的点
二维的魔
或者三维的泡泡
或者四维的
啊
我想不出四维这名头啊
实际上呢
这个基本结构可能是任意维数
从零维一直到九维都有可能
m理论的古怪啊
比起超贤呢
还是要有过之而无不及
不管超前还是m理论呢
他们都刚刚起步
还有更长的路要走
虽然异常复杂
但是超显m理论仍然取得了一定的成功
甚至
他们得以解释黑洞伤的问题
一九九六年
施特罗明格和瓦法的论文呢
为此开辟了道路
在那之前不久的一次演讲中
霍金还挖苦说
啊贤理论迄今为止的表现相当悲惨
他甚至不能描述太阳结构
更不用说黑洞了
不过
他还是一度改变了看法而加入贤论的潮流中来
啊
最近又退出了
m理论呢
是第二次超贤革命的一部分
如今这次革命的硝烟也已经散尽
超贤又进入了一个蛰伏期
PBS呢
后来在格林的书的基础上啊
做了有关超前的电视节目
在公众中引起了相当的热潮
或许不久啊
就会有第三次
第四次超前革命
从而最终完成物理学的统一
我们谁也无法预见
值得注意的是呢
自贤论以来啊
我们开始注意到
似乎量子论的结构啊
才是更为基本的
以往呢
人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架
然后呢
在细节上做量子论的修正
这可以称为自大而小的方法
但在贤论里呢
必须首先要引进量子论
然后才导出大尺度上的时空结构
人们开始认识到
也许自小而大才是根本的解释宇宙的方方法
如今
大多数贤论家都认为
量子论在其中呢
扮演了关键的角色
量子结构不用被改正
而广义相对论的路子呢
却很可能是错误的
虽然它的几何结构极为美妙
但只能委屈它退到推论的地位
而不是基本的基础假设
许多人相信呢
只有更进一步的依赖量子的力量
超贤才会有一个比较光明的未来
我们的量子虽然是那样的古怪
但神赋予了他无与伦比的力量
将整个宇宙的命运都控制在他的掌握之下
我们的史画终于到了尽头
量子论呢
在奇妙的气氛中诞生
在乱世中艰难的成长起来
与一些伟大的对手呢
展开过激烈的交战
他建筑起了惊天伟地的巨构
却也曾在其中迷失方向而茫然徘徊不已
他至今使我们深深困扰
却又担负着我们最虔诚和最宝贵的愿望和梦想
他最终的归宿是什么
超鲜m理论
我们仍不清楚
但我们深信啊
会出现一个量子引力理论
把整个物理学最终统一起来
把宇宙最终极的奥秘骄傲的谱写在人类的历史之中
在新世纪的开始
物理学终于又一次走到了决定命运的关头
我们似乎又站在一个大时代的前沿
光辉的前景令我们怦然心动
激动又慌乱
几乎不敢去想象那是怎样一个伟大的景象
最终的统一呢
似乎已经触手可及
甚至已经听到他的脉搏和心跳
历史似乎在冥冥中峰回路转
兜了一个大圈之后呢
又回到了一百多年前
回到了经典物理一统天下时那似曾相识的场景
但这次的意义甚至更伟大
当年的牛顿力学和麦克斯韦电磁论呢
虽然彼此相融
但他们毕竟是两个不同形式的理论
从这个意义上说呢
庞大的经典帝国最多是一个结合的比较紧密的联邦
但这次不同了
那个传说中的万能理论
它能够用同一个方程去描述宇宙间所有的现象
在所有的领域中呢
它都实现了直接而有效的统治
这是有史以来的一次
我们有可能完成实质意义上的彻底统一
把所有的大权呢都集于一身
从而开创一个真正磅礴的帝国时代
人们似乎已经看到了天空中金色的光辉再一次闪耀起来
神圣的诗篇再一次被吟诵
回想在宇宙的每一个角落
当这个日子到来的时候啊
物理学将再一次达到它的巅峰
登上宇宙的极顶
极目眺望
众山揭晓
一切都在脚下
虽然很清楚历史上这样的神话呢最终归于破灭
霍金仍然忍不住
我在时间简史里面说
在谨慎乐观的基础上
我仍然相信
我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点
但是
统一以后呢
是不是一切都大功告成了
物理学是不是又走到了它的尽头
再没有更多的发现可以做出了
我们的后代是不是将再一次陷入无事可做的境地
除了修正几个常数在小数点后若干位的值而已
或者
在未来的某一天
地平线上又会出现小小的乌云
带来又一场迅猛的狂风暴雨
把我们的知识体系再次砸烂
并引发新的革命
历史是不是这样一种永无止境的轮回
大自然是不是永远也不肯向我们展现它最终的秘密
而我们的探索是不是永远也没有终点呢
这一切都没有答案
我们只能义无反顾的沿着这条道路继续前进
或许历史终究是一场轮回
但在每一次轮回中呢
我们毕竟都获得了更为伟大的发现
科学在不停的检讨自己
但这种谦卑的审视和自我否定不但没有削弱他的光荣
反而使他获得了永恒的力量
也不断的增强着我们对他的信心
人类居住在太阳系中的一颗小行星上
他们的文明呢
不过万年的历史
现代科学的创立不到四百年
但他们的智慧贯穿整个时空
从最小的量子到最大的宇宙尺度
从大爆炸的那一刻到时间的终点
从最近的白矮星到最远的宇宙世界
没有什么可以阻挡我们探寻的步伐
这一切都来自于我们对于成功的信念
对于科学的依赖
以及对于神奇的自然那永无休止的好奇
我衷心的希望各位啊
在这次的量子旅程中呢
获得了一些非凡的体验
也许他带来困惑
但他毕竟指向希望
我们必须在这里啊
和各位告别了
但量子论的路仍然没有走完
他仍然处在迷宫之中
前途漫漫
还有无数未知的秘密有待发掘
我们仍然还要努力的去上下求索
而这剩下的旅程啊
必须由各位独立去完成
因为啊
前面上没有路
他要靠我们亲手去开辟出来
也许有一天
你的名字也会成为量子历史的一部分
被镌刻在路边的纪念碑上
再一次召唤后来的过路人
对于这一伟大时光的深切怀念
谁又知道呢
您刚才收听到的是由磨铁图书出品的精品有声书上帝制头子嘛量子物理史话
感谢您的收听
更多精彩内容请听下集
