讀本閑/弦書《超越時空》(Hyperspace)

遠去的時光

先看一張照片以引出正文。1990年2月14日, 已經在太空中飛行了12年零5個月, 即將飛離太陽系進入深空探索的航海者1號探測器 (Voyager 1), 驀然回首, 從大約60億公里外太空回望太陽系行星拍攝了一組照片, 其中顯示暗淡藍點的一張, 正是我們人類的家園-地球, 看上去就像宇宙中的一粒塵埃。 <h5 style="text-align: center;">圖片引自 Wiki </h5> 我不敢肯定所有人都看過這張照片, 但我敢肯定所有人第一次看到這張照片時, 都會對人類居住的這顆星球和我們自身在宇宙中的渺小感到深深的震撼。回到正文,《超越時空》(Hyperspace), 作者加來道雄 (Michio Kaku), 美籍日裔物理學家, 超弦理論奠基人之一。本書通過梳理近代物理學一百多年來的曲折發(fā)展歷程, 以高維空間為線索, 對物理學前沿理論之超弦理論的來龍去脈作了通俗易懂的講述, 并展望了未來利用其研究成果實現(xiàn)時空旅行的誘人遠景。生活在三維空間的我們幾乎無法想象宇宙可能有更多維度的存在。作者兒時經常坐在水池旁觀察池中游動的鯉魚, 充滿遐想, 池中的鯉魚會怎樣感知它們周圍的世界。盡管作者與池中的鯉魚相距僅僅幾厘米, 然而, 他們之間卻如距天涯。鯉魚無法感知水面上的宇宙。作者進而想到, 我們也許就像"池子里"游動的鯉魚, 以為我們的宇宙只包含那些看得見摸得著的事物。 高維空間概念的提出最早始于19世紀數學家黎曼。1854年, 黎曼在他的著名演講《論作為幾何基礎的假設》中, 提出了一種全新的四維空間幾何原理, 不僅撼動了持續(xù)了2000多年的歐幾里得幾何原理, 也同時糾正了牛頓建立的引力是兩個遠距離物體之間超距作用理論, 指出引力只是空間幾何彎曲的結果。黎曼提出的全新的幾何物理繪景, 對之后的物理科學研究產生了深遠影響。在黎曼演講后60年, 1915年, 愛因斯坦用黎曼四維幾何數學原理提出了時空一體/質能轉換的宇宙演化規(guī)則, 創(chuàng)立了廣義相對論。1921年, 在愛因斯坦的四維時空基礎上, 第一個關于高維空間的理論出現(xiàn), 這就是卡魯查-克萊因理論。該理論將光解釋為在第五維空間中的震動, 嘗試統(tǒng)一自然界中兩種基本自然力-引力和電磁力。之后, 由于量子力學研究異軍突起, 超空間理論研究被束之高閣。人類從古希臘時期就開始了關于世界本源, 物質本性的探索。事實上, 生活在這個世界上的每個人或許都曾經問過自己, 我是誰, 這個世界是由什么組成的, 宇宙有沒有邊界。近代物理學研究發(fā)現(xiàn), 我們宇宙中的所有現(xiàn)象都能夠歸結為四種基本作用力, 其中宏觀層面的引力和電磁力無須多說, 引力約束整個宇宙星系, 使行星繞恒星運行。電磁力包括電, 磁和光本身, 其應用已遍及人類生產生活的各個層面。而物質構成微觀層面的強核力和弱核力則少為人知, 原子核由質子和中子構成, 質子中子由夸克構成。強核力則是束縛原子核這些粒子的吸引力, 其作用核聚變?yōu)楹阈侨紵峁┠芰? 產生光和熱。弱核力左右原子核內某些粒子的放射性衰變形態(tài), 如可致火山熔巖自然噴發(fā)。然而, 四種基本作用力彼此似互不相似。于是, 尋求把四種基本力統(tǒng)一成一種力, 以描述物理宇宙的所有定律, 成為20世紀以來理論物理學的主要挑戰(zhàn)。歷經半個世紀的艱辛探索, 量子力學成功地規(guī)范了弱核力, 電磁力和強核力, 及組成所有物質的基本粒子, 建立了標準模型。但是, 標準模型仍然無法容納廣義相對論描述的引力。20世紀60年代末, 弦理論登場了。 弦理論起源于強核力作用的研究, 物理學家發(fā)現(xiàn)使用特定數學函數模型, 可以把原來的點粒子描述為某種特定空間的延伸量, 即一段弦, 弦分為開弦和連成環(huán)狀的閉弦。1984年, 弦理論經引入超對稱理論, 用閉弦描述了傳遞引力作用的引力子, 克服了量子力學標準模型無法包含引力的困境, 第一次統(tǒng)一描述了所有四種基本作用力, 創(chuàng)建了超弦理論。該理論的數學方程自洽的空間維數是9維, 加上時間維度總共是10維時空, 并推斷宇宙大爆炸初始, 10個維度分裂成了4維時空和6維空間, 4維時空暴脹形成現(xiàn)在的宇宙, 另外6維蜷縮到難以觀察的微小尺度。根據該理論, 組成物質的所有基本粒子是由無數不同振動方式的弦形成, 宇宙中的物質只不過是由無數振動的弦產生的和聲。雖然, 目前超弦理論還很不完善, 且目前的實驗手段也無法驗證, 但超弦理論的重要性在于它能夠在高維空間的框架內統(tǒng)一所有物理基本作用力, 成為有希望實現(xiàn)物理學所追求的萬有理論。本書1994年出版, 近20多年來, 該理論已發(fā)展為11維度的M理論。當人類僅僅掌握了四種基本力中的一種電磁力, 就不可逆轉地改變了人類歷史的進程, 把我們從貧窮的前工業(yè)社會提高到現(xiàn)代文明。如果我們用這種眼光審視未來, 即人類漸次掌控所有四種基本力, 也許真的有一天, 可以實現(xiàn)被科幻小說當作噱頭的時間機器, 穿越蟲洞, 超空間旅行, 那將會極大地影響人類文明的進程。說它是本閑書, 是指書中介紹的理論離我們現(xiàn)實生活的確遙遠, 好像沒什么用, 我們這輩子想體驗超時空旅行是不可能了。但也不盡然, 也許它會潛移默化地影響你對存在, 物質, 意識, 時間, 宇宙的認知和領悟, 偶爾看看繁星明月, 冥想神游幾百億光年外的宇宙, 想象人類的意識能否追上光速,穿越蟲洞, 回到過去, 預言未來 ... 偶爾嘗試拍攝星空銀河, 貼一張呼應一下本文的時空氛圍。 <h5 style="text-align: center;">西藏羌塘無人區(qū)拍攝</h5> 如果宇宙起源的大爆炸理論是對的, 那未來宇宙坍聚湮滅也是必然的歸宿。幾年前讀過一篇科幻小說結尾描述宇宙末日的景象, 作者大手筆把宇宙湮滅的過程寫得既風平浪靜又波瀾壯闊。誰想寫這篇讀書筆記時那一幕場景又浮現(xiàn)在眼前, "... 抬起頭, 看向夜空, 穹蒼之上, 一片寂寥, 群星慢慢地閉上了眼睛"。就此打住。

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