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《平行宇宙》第一部分:《平行宇宙》深度解读!

时间:2018-10-25 13:30:46编辑:浮泊凉

本书中,加来道雄博士以其无与伦比的解说才能,讲述了现代物理学得出的一种最令人难以置信、最激动人心的可能性,即,可能存在着广阔无垠的宇宙之网,里面排列着许多宇宙,也许是无穷多个宇宙,而我们这一宇宙只不过是其中之一。他运用生动巧妙的类比,幽默的语言,耐心地向读者介绍有关平行宇宙的种种话题,从量子力学、宇宙学,到最新出现的M-理论,一路娓娓道来。读读这本书吧,在学者的陪同下,作一次奇妙的宇宙漫游,他的见解可将我们的想象力推向极限。

作者写作这本书的顺序是先理论后实际,所以我们也按照这个逻辑来说。我们先介绍作者着重讲解的 M 理论,以及 M 理论是怎么证明平行宇宙存在的,再介绍平行宇宙对人类的意义,所以这三个重点分别是:第一,M 理论是如何从无到有,一步步地发展成人类最前沿物理学理论的;第二,M 理论和其他各种推论是怎么支持平行宇宙存在猜想的;第三,为什么说平行宇宙很可能是人类的最终归宿。

我们先来看看第一个方面的内容:M 理论是如何从无到有,一步步地发展成人类最前沿物理学理论的。

M 理论从本质上说,是一种叫做弦论的理论的最新版本。正是弦论和 M 理论,才让科学家们对平行宇宙的态度从否定走向肯定,所以作者在书的前半部分花了相当多的墨水,来给我们讲解 M 理论的发展历程。

故事还要从爱因斯坦说起。爱因斯坦可以说是人类历史上最伟大的物理学家之一,他36岁就提出了天才的广义相对论。而爱因斯坦在他的后半生其实一直都在做一项工作,那就是努力构建这么一个能解释宇宙里所有基本现象的万物理论,但遗憾的是,他至死都没有完成这项工作。这不是因为爱因斯坦不够聪明,而是因为当时物理学的发展水平还不足以支撑万物理论的诞生。

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那这个万物理论到底有多重要呢?为什么它能让爱因斯坦为之奋斗半辈子呢?其实,长期以来科学家们都有一种朴素的想法,那就是这个世界其实是统一的,世界上的所有基本作用都应该有一个相同的本质。

而科学家们又发现,宇宙中的基本作用力其实只有四种,分别是引力、电磁力、强核力和弱核力,正是这四种力驱动了整个宇宙的运转,但这四种力在最根本的性质上完全不同,所以不能再细分。要是有这么一种理论,能把这四种基本力统一在一个框架里,那这个理论就能解释宇宙里所有最基本的现象,这个理论就可以被称为万物理论。

虽然爱因斯坦没能构建起万物理论,但他为物理学界打开了视野,所以后来的学者都能朝这条路努力。比如20世纪60年代,美国物理学家史蒂文·温伯格等人成功地把四种基本力中的两种,也就是把弱核力和电磁力,用弱电理论统一起来,他们也因此获得了诺贝尔物理学奖。

7年之后,科学家们又进一步,他们提出了一个叫做“标准模型”的新理论,这个理论统一了电磁力、弱核力和强核力,也就是说除了引力之外,统一了四种力中的三种。到目前为止,标准模型能满足所有关于粒子物理学的实验数据,按理来说也算是挺成功了,但科学家们却很不满意,因为标准模型有很大问题,那就是它本身特别奇怪。

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比如,为了符合实验数据,模型里有人为放进去的19个参数,而这些参数本身没有任何理由和意义,所以这个模型看起来就像是修修补补拼凑出来的。对于那些追求简洁美的物理学家们来说,这当然就特别别扭了。再加上标准模型并没有把引力统一进去,所以它也不是科学家们想要追求的万物理论。

标准模型这条路走不通,但科学家们没有灰心,因为另一条路有不错的进展。同样是20世纪60年代,意大利物理学家韦内齐亚诺和同事创立了一种叫做弦论的物理理论,就是我们刚才提到的弦论。为什么叫弦论呢?因为这个理论认为,所有的微观粒子,比如电子和中微子,本质上都是空间中一根根微小的弦通过振动产生的,因为弦具有不同的振动状态,所以粒子才会出现不同的种类。

这个弦有多小呢?科学家们规定,它的长度是物理学能允许存在的最小长度,用术语说就是一个普朗克长度,大约有1.6*10-33厘米这么小。举个例子,如果你有一个超级显微镜,能以这么小的尺度来观察电子的内部结构,那你就会发现,电子就不再是一个个点状的粒子了,而变成了一根根振动着的弦。当然,这个尺度的显微镜人类目前可造不出来。而如果我们能拨动一下这个弦,让它改变振动的情况,那这个弦产生的电子就会变成另外一种粒子。

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弦论高明就高明在这里。因为科学家们发现,目前宇宙中有好几十种各不相同的微观粒子,比如电子、中微子、夸克等等,你不用知道这些粒子都是什么,只需要了解就是这些粒子构成了我们的宇宙,而且它们性质各异就行了,但科学家们总觉得,这么多种奇奇怪怪的粒子出现在宇宙之中,不太符合宇宙本应该具有的简洁性,所以我们现有的描述这些粒子的理论肯定有很大的局限性,而弦论就漂亮地解决了科学家们的疑惑。

它告诉我们,构成宇宙的不是表面上这几十种奇怪的粒子,而只是一根根简单的弦。这样一解释,你是不是也觉得豁然开朗了呢?其实,正因为弦论具有这个特点,它才有机会成为万物理论。因为四种基本力本质上都来自不同粒子间的相互作用,要是从传统的思路来发展万物理论,就要面对这好几十种粒子,所以这条路特别难走,而弦论倒简单,直接认为各种粒子的本质都是一根根弦,这样一来,宇宙中四种基本力的来源就都变成了所谓的弦,就能在构建万物理论的路径上少走很多弯路。

不过,虽说弦论有很多优点,但在它被提出来之后,也确实遇到了很多理论上的问题。比如科学家们就发现了弦论的形式其实不止有一种,而是多达五种,这五种形式不同的弦论都自成一体,能自圆其说。这就让科学家们很困惑,他们没法解释为什么宇宙中会有五种弦论,再加上其他种种问题,科学家们逐渐意识到弦论还有着重大的理论缺陷。

直到1994年,美国物理学家爱德华·威滕等人才从数学角度做出了重大突破。他们发现,我们其实可以用一种更包罗万象的理论来把五种不同的弦论统一在一起,而这种包罗万象的理论就是 M 理论。M 理论的突破之处就在于,它可以利用数学方法,用五种方式来演算,变幻成五种不同的弦论,所以它实质上就是五种弦论的统一体,这样就能解决弦论的理论缺陷了。

正因如此,M 理论才成为人类今天最接近万物理论的理论。不过虽说如此,但 M 理论至今仍在发展之中,它还不是一个成熟完善的理论。它之所以能在当今物理学界得到科学家的重视,只是因为它有成为未来万物理论的潜质。

这就是第一个重点内容,梳理一下思路。物理学家们发现宇宙中有四种基本力,想要寻找一个万物理论来把它们统一起来。而弦论能通过把物质的本质看成是一根根细小的弦来解释很多基本现象,也为统一四种基本力提供了一个有前途的思路。所以,由弦论发展而来的 M 理论,就被很多科学家视为未来最有可能发展成为万物理论的理论。这就是我要给你讲的本书的第一个方面,M 理论是如何从无到有,一步步地发展成人类最前沿物理学理论的。