札记(27)▏极简宇宙史

Learning Aug 24, 2021

没有人能够事先知道朝着哪个方向航行,他们能够找到岛屿或大陆,必须经过许多探险家的失败,才能铺就通往伟大发现的道路。运气的确存在,但无法被依赖。以过去的发现为基础,是一条更可靠的捷径。

一百年前,爱因斯坦提出了思考引力的一个新视角,我们知道不仅在我们脚下挖掘地球的考古工作能告诉我们历史,观察星空也一样能找出我们宇宙的过去。几乎就在同样的时期,许多科学家开始发现那些不可思议的量子理论统治着我们的微观世界。 然后,三十年前,借着自己发现的黑洞蒸发理论的鼓舞,霍金和哈妥又大胆地猜想并提出了描述所有一切起源的数学方程式。 或许,未来会证明他们的洞见有着深层的错误,当然,对于所有超前于实验的理论,实验最终都会给出它的局限,但这并不重要。重要的是,关于我们宇宙起源的问题进入了一个全新的时代,在这个时代中,这个问题至少能够通过数学物理的方式来探讨研究。

从牛顿到爱因斯坦,你放弃了宇宙是静态的和一成不变的,以及引力是一种作用力的想法,你不得不引进时空这一概念,三维空间与一维时间交织在一起,成为四维的时空这一单一概念,而且时空自身还在质量与能量周围变形。从牛顿到量子物理学,你不得不放弃粒子是一个固定的点,你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在,从引力理论、量子场理论到弦理论,你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦所构成的理论。 如果只是这样就简单了,可惜并不止这些。你在这里不得不放弃的是现实只有四维的观念。弦无法存在于一个只有四维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙中。

自有人类历史开始,哲学家们——现在还包括理论物理学家们——就一直试图在自己头脑中绘出世界。为了揭示规则,那些自然界的规则,那些对于我们每个人都明白无误地展现其存在的自然规则(虽然描述这些规则的语言在相当长的时间内都不为人类所知),他们将自己投入到那些事实上哪怕通过实验都无法到达的场景中。这种体验被称为想象实验,那些纯粹通过思想进行的实验。

直觉——虽然它未必建立在得以让我们人类这一物种存活至今的常识之上,但也是在最近一个多世纪里推动众多新发现的重要力量。就像爱因斯坦的名言:想象力比知识更重要。

然而,你在这次旅途中所学到的有些东西或许有一天会被证明是错误的。暗物质、暗能量、平行宇宙与现实都只是一些理论想法,或许有一天这些都会被最终放弃,但无论如何,它们是我们现在最强大的思想。它们反映了今天我们人类如何努力理解我们所处的宇宙。几个世纪之后,这所有的一切,或许被否定,或许被接受,现在的我们无法知道。但我们既然生活在今天,就意味着我们被今天这些无比美妙的想法所围绕。

你已经知道,牛顿并没有发现自然的终极理论,我在本书早先所鼓吹的那个所谓能够解释万事万物的终极理论至今依然未被阐明,虽然弦理论或许能够成为这种理论的一个有力候选者。牛顿的理论甚至无法解释水星轨道的奇怪变化,更不用说时空的膨胀了。因此,在某种意义上说,他的理论是错误的。然而,他的理论依然伟大,甚至可以被称为是完美的理论:我们知道它的适用范围,我们也知道它在哪里、为什么会失败。大致上我们可以在所有我们人类大脑所能掌握的尺度上使用他的理论:在非常巨大和非常微小之间,以及不是非常高速,所涉及的能量也并非非常剧烈的场合。我们日常所经历的世界,我们的进化允许我们的感官所感知的世界,都在牛顿理论有效的范围之内。我们的常识都根植于这个世界。但在这个世界之外,还有着其他现实存在。有着那些非常快速、非常微小、非常巨大或非常高能的世界存在。在这些超越了我们日常生活经验的世界里,牛顿的理论就不再适用,我们的感官也毫无用处,但尽管如此,人类还是令人吃惊地揭示了统治那些我们所看不到的世界的自然规则。量子场理论适用于非常微小的世界,广义相对论则统治着非常巨大和能量非常密集的世界。 在这两者之间,牛顿才是王者。当牛顿的理论不再适用时,奇怪的新现象就会出现,暗示着在我们现实世界 量子场理论与广义相对论都开阔了我们的眼界和思想,将一个远比我们祖先所能想象的广阔得多的宇宙呈现在我们的面前,但是,这两大理论也都有着自己的局限性。然而,与牛顿的理论不同的是,到现在为止还没有人肯定地知道这些理论的局限之外是什么。通过这本书,你已浏览了这些无比成功的理论,在旅程的最后阶段,你还试图朝这些理论的局限之外迈出犹疑却又是尝试性的大胆一步。你进入了一个由弦和膜作为基本构成的宇宙,一个由多重现实与可能性所构成的宇宙。在这个与我们自己的完全不同的宇宙中,量子真空呈现出完全新奇而诡异的规则。 爱因斯坦眼光的卓越之处在于他看出了引力的本质并非牛顿所设想的那样,他证明了引力实际上是时空的弯曲与倾斜。引力、质量与能量都以非常直接的方式联系在一起:我们的宇宙有着一个基本构造,即时空,它被其所包含并位于其中的物质所影响,产生变形与弯曲。这些时空的弯曲对于周围物体与光所产生的影响就是我们所体会并感知到的引力。这就是广义相对论。它已经有一百多年了。要了解宇宙在某颗恒星周围的局部形状,了解它的引力如何影响了周围的环境,我们只需要知道那颗恒星所含有的能量就行了。从德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)开始,许多科学家做过这样的计算。

广义相对论给了我们一个全新的宇宙图景。 你,我,所有人和所有事物,我们都被现在到达我们这里的信息所包围,这些信息来自过去,它们在现在,在此时此刻到达了我们身边。我们坐在我们可见现实的中心,这个现实中的所有一切都遵循爱因斯坦的规则,除了黑洞。同样的原则适用于我们对物质与光的理解:统治整个可见宇宙的规则与统治我们身边宇宙这一小块地方的规则完全一样。构成我们的物质,从我们皮肤上反射出来的光子,它们都遵循同样的量子规则,在我们的可见宇宙之中无处不是如此。

我们几乎毫不怀疑未来会有更多的发现,既包括理论上的,也包括实验上的,它们将会把人类的知识推进得更远,打开通往全新宇宙图景的窗户,那些宇宙图景会比今天所有人最大胆的想象更令人难以置信。到那个时候,广义相对论和量子场理论也会与牛顿的理论一样成为完美理论,因为那时候我们会知道它们在哪里失效,以及为什么会失效,它们会被那些新理论所取代。然而现在,它们都只是表现出与当年牛顿理论表现出的同样意义上的错误。 正是有了这些错误,我们才能瞥见未知。 没有牛顿,没有可被我们用以对比的事物,我们甚至不会注意到水星轨道的细微漂移。 没有水星轨道运动的实际情况与牛顿理论对其预言之间的差异,没有那些牛顿理论无法解释当物体以极高速运动时所发生的状况,我们就无法得到爱因斯坦对于宇宙构造与其内容物之间相互作用的真知灼见。 没有爱因斯坦的方程式,我们就会与祖先们一样,对我们的宇宙具有历史这一事实一无所知。我们就无法建立模型解释我们的宇宙在整体上如何运行。 没有这个模型,你就无法发现暗物质。同样也无法发现暗能量。 为了找到正确,我们需要错误,这样我们才能向前进步。

下一次当你仰望星空,我希望你能够记起这个宇宙是多么的神奇、广袤和美丽。在探索不为人知的美与神秘的同时,正因为我们不断充实自己的知识,放飞想象,才有可能为人类找到一条长久生存下去的道路。

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