弦論是一個(gè)謎。它是所謂的萬(wàn)有理論(thetheoryofeverything)。但它還沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
它是如此的深?yuàn)W。在弦論里到處是額外維度,量子漲落和黑洞。
弦論是一個(gè)謎,它的參與者們承認(rèn)他們并不理解這個(gè)理論。但一個(gè)接一個(gè)的計(jì)算卻帶來(lái)了出人意料的漂亮的有關(guān)聯(lián)的結(jié)果。
弦論是一個(gè)謎。它把很多天才從其他迷人的領(lǐng)域吸引過(guò)來(lái),同時(shí),它還有響亮的反對(duì)者。
當(dāng)前物理學(xué)領(lǐng)域*有趣*活躍的研究課題之一 弦論是一個(gè)迷,它聲稱所有物質(zhì)的基本對(duì)象不是粒子,而是弦。 弦,尺寸如此之小,以至于我們用***的粒子加速器都無(wú)法探測(cè)到
1 能量/001
長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間和速度/003
E=mc2/006
2 量子力學(xué)/011
不確定性/015
原子/017
光子/023
3 引力和黑洞/029
黑洞/033
廣義相對(duì)論/040
黑洞不黑/043
4 弦論/047
引力對(duì)戰(zhàn)量子力學(xué)/051
時(shí)空中的弦/055
弦的時(shí)空/064
目錄
2弦理論
5 膜/071
第二次超弦革命/073
D-膜和對(duì)稱性/077
D-膜的湮滅/090
膜和黑洞/093
M-理論中的膜和世界的邊緣/100
6 弦對(duì)偶/107
一個(gè)維度在這里,一個(gè)維度在那里,誰(shuí)在數(shù)?/115
引力和規(guī)范理論/121
7 超對(duì)稱和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)/129
超對(duì)稱奇特的數(shù)學(xué)/135
可能的萬(wàn)有理論/141
粒子,粒子,粒子/148
8 重離子和第五維/157
地球上最熱的東西/160
五維空間中的黑洞/168
尾聲/180
關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)英漢對(duì)照表/184
幾年前一個(gè)美好的夏天,我和父親開(kāi)車去格羅托壁,一個(gè)離科羅拉多白楊鎮(zhèn)不遠(yuǎn)的攀巖圣地。我們的目標(biāo)是爬一個(gè)叫雙隙的經(jīng)典中等難度路線。順利完成后,我又有了新主意:器械攀登一個(gè)叫科萊奧貞尼的更有挑戰(zhàn)的路線。器械攀登意味著你要往巖石縫里塞進(jìn)一個(gè)個(gè)巖石塞以支撐你的重量,而不是僅靠你的手和腳去支撐。你把你自己拴在繩索上,然后把繩索穿進(jìn)那些巖石塞里,這樣一旦你腳下的巖石塞滑脫了,它下面的巖石塞將會(huì)阻止你下落。
科萊奧貞尼在我看來(lái)是練習(xí)器械攀登理想的地方,因?yàn)樗鼛缀醵际峭怀龅摹H绻粝聛?lái)的話,你將不會(huì)在墜落的時(shí)候痛苦地撞到巖石;你會(huì)先往下掉一段然后就被繩索拽住;蛘吣銜(huì)一直往下掉,直到落地——但這看起來(lái)可能性不大。科萊奧貞尼的另外一個(gè)好處,在我看來(lái),就是它有一個(gè)兩指寬的縫隙,一路向上,幾乎一直通到頂上,這樣我就可以盡我所需地往里面放巖石塞了。
父親欣然同意,于是我往上攀,在向上的路線上跳躍。只有到了這時(shí)我才意識(shí)到我的計(jì)劃有點(diǎn)不妙。縫隙里的巖石不是很好。它消耗了我很多裝備,同時(shí)我還不能把巖石塞放得很牢靠。盡管只是個(gè)短坡,卻用掉了很多巖石塞,當(dāng)快到頂?shù)臅r(shí)候,我已經(jīng)非常缺乏那些最有效的裝備了。最后一段很難自由攀登,而我已經(jīng)幾乎沒(méi)有巖石塞了。但我?guī)缀跻呀?jīng)到頂了!我在一個(gè)喇叭形的巖石縫隙里放進(jìn)一個(gè)半月形巖石塞。我踩著它向上,它支撐住了。我在相同的縫隙里又放進(jìn)了一個(gè)六角形巖石塞。我踩著六角形巖石塞繼續(xù)向上,它滑脫了,我掉了下來(lái)。接下來(lái)發(fā)生的就是一瞬間的事情,我已經(jīng)不記得了,但很容易重構(gòu)。第一個(gè)巖石塞被拔脫。我落入了空中。下一個(gè)也被拔脫。攀巖者稱這種現(xiàn)象為“拉拉鏈”,因?yàn)樗拖窭_(kāi)一條拉鏈。如果足夠多的巖石塞被拔出來(lái),你最后就會(huì)落到地上。每當(dāng)一個(gè)巖石塞被拔出,它下面的那個(gè)就必須要能夠吃住更大的拉力,因?yàn)槟阍谙侣涞倪^(guò)程中會(huì)積攢更多的速度和動(dòng)量。猛地一拽,我被掛在了下一個(gè)裝置上。這次是一個(gè)機(jī)械塞,它是攀巖者武器庫(kù)中最復(fù)雜的一件裝備。它放得并不穩(wěn)妥,但支撐住了。我父親,當(dāng)時(shí)他正坐在下面的地上拉著繩子,被我們之間的繩子拉緊滑著向前。
整個(gè)過(guò)程就是這樣。我花了些時(shí)間研究最終拉住我的那個(gè)機(jī)械塞。它看起來(lái)被拉動(dòng)并轉(zhuǎn)了一點(diǎn)點(diǎn),但還能用。我加強(qiáng)了下面的幾個(gè)巖石塞,然后開(kāi)始往下爬。下來(lái)后我四處走走,放松了幾分鐘,還是地上牢靠啊。接著我沿繩索又爬了上去,回收了大部分裝備,一天就這樣結(jié)束了。
我們能從這次科萊奧貞尼的經(jīng)歷中學(xué)到什么呢?嗯,首先就是在我們器械攀登的時(shí)候,一旦你用完裝備你就應(yīng)該停下來(lái)。其次,下落并不是問(wèn)題。落地才是問(wèn)題。我能毫發(fā)無(wú)傷地離開(kāi)是因?yàn)槲也](méi)有撞在地面上。(幾分鐘后我確實(shí)流鼻血了。)掛在機(jī)械塞上的感覺(jué)就是猛烈的一拽,但和撞在地面上相比它還是屬于比較溫和的一類。從下落中我們可以學(xué)到關(guān)于引力的深?yuàn)W道理。當(dāng)你向下落的時(shí)候,你感覺(jué)不到引力。這就是失重。坐電梯下行的時(shí)候,我們會(huì)有失重的感覺(jué),當(dāng)然沒(méi)那么明顯。在有了對(duì)下落的親身體驗(yàn)后我覺(jué)得我對(duì)引力有了一些更深入的理解。當(dāng)然不是在科萊奧貞尼,我當(dāng)時(shí)或者沒(méi)工夫去回味這個(gè)經(jīng)歷,或者太興奮了以至于我的理性思維還無(wú)法介入。黑洞
假設(shè)掉進(jìn)一個(gè)黑洞,你會(huì)怎樣呢?會(huì)有一次可怕的、破壞性的撞擊發(fā)生嗎?或者就是一次永遠(yuǎn)的下落?我們先簡(jiǎn)要回顧一下黑洞的性質(zhì),再來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。首先,黑洞是這樣一個(gè)物體,光沒(méi)法從它里面跑出來(lái)。“黑”表示的就是這種物體的絕對(duì)黑暗。黑洞的表面叫做黑洞的視界,因?yàn)橐暯缤饷娴娜耸菦](méi)法看見(jiàn)視界里面發(fā)生的事情的。這是因?yàn)榭春凸庥嘘P(guān),沒(méi)有光能從黑洞里跑出來(lái)。一般認(rèn)為黑洞存在于大多數(shù)星系的中央。黑洞也被認(rèn)為是質(zhì)量很大的恒星演化到最后的階段。
圖3.1我們所在的銀河系,在它的中心可能有一個(gè)黑洞。黑洞的質(zhì)量據(jù)信是太陽(yáng)質(zhì)量的四百萬(wàn)倍。從地球上看,它處于人馬星座的方向上。它距離我們有26000光年。黑洞的尺寸比我們這里畫(huà)出來(lái)的要小很多,它四周被恒星環(huán)繞的空白區(qū)域也同樣如此。
關(guān)于黑洞最奇特的事情是除去中央的“奇點(diǎn)”外,黑洞的里面是空的。這看起來(lái)很扯:星系中質(zhì)量最大的物體竟然是空的?原因是黑洞里面所有的質(zhì)量都已經(jīng)坍塌到奇點(diǎn)上了。實(shí)際上我們并不知道在奇點(diǎn)上發(fā)生了什么。我們知道的是奇點(diǎn)讓時(shí)空扭曲,并在它周圍形成一個(gè)視界。任何掉進(jìn)視界里的物質(zhì)最終都會(huì)落到奇點(diǎn)上。
設(shè)想一個(gè)倒霉的攀巖者掉進(jìn)了一個(gè)黑洞。穿越視界并不能使他受到任何傷害,因?yàn)槟抢锸裁炊紱](méi)有:只有真空。攀巖者甚至可能都不知道他穿過(guò)了視界。麻煩的是,再也沒(méi)有什么東西可以阻止他的下落了。首先,這里沒(méi)有任何可供支撐的東西——記住,在黑洞里除了奇點(diǎn)以外全都是空的。攀巖者唯一的希望是他的繩索。但即使把繩索拴到有史以來(lái)最牢固的(黑洞外的)巖石塞上也是徒勞。假設(shè)巖石塞可以堅(jiān)持得住,繩索也會(huì)斷裂,或者它會(huì)被拉長(zhǎng)、拉長(zhǎng),一直到攀巖者墜到奇點(diǎn)上為止。
當(dāng)這一切發(fā)生的時(shí)候,可以設(shè)想將會(huì)有一次可怕的、破壞性的撞擊發(fā)生。但我們無(wú)法知道確切的細(xì)節(jié),除了攀巖者沒(méi)有人能夠看到這一切。因?yàn)闆](méi)有光能夠從黑洞里跑出來(lái)。從以上討論我們可以看出黑洞里面引力的拉拽是絕對(duì)不可抗拒的。一旦穿過(guò)了視界,我們不幸的攀巖者除非能讓時(shí)間停止否則他就無(wú)法阻止自己的下落。同時(shí),在他落到奇點(diǎn)上之前也沒(méi)有什么能“傷害”到他。在此之前,他僅僅是在真空中下落而已。他將感覺(jué)自己失重了,就像我在科萊奧貞尼的那次墜落一樣。這就凸顯了廣義相對(duì)論中的一條基本假設(shè):一個(gè)自由下落觀察者的感覺(jué)和他在真空里的感覺(jué)是一樣的。下面是另一個(gè)可能會(huì)有所幫助的類比。假設(shè)山上有個(gè)湖,湖水由一個(gè)很小、流速很快的水流排出。湖里的魚(yú)知道不要離危險(xiǎn)太近,即不要離那個(gè)水流的入口太近,因?yàn)橐坏┧鼈冞M(jìn)入下降的水流,它們就無(wú)論如何也游不出那個(gè)水流回到湖里了。不小心進(jìn)入水流的魚(yú)也不會(huì)受傷(至少暫時(shí)不會(huì)),但它們別無(wú)選擇只有順著水流向下。湖水就像黑洞外的時(shí)空,而黑洞里面就像水流。奇點(diǎn)對(duì)應(yīng)的則是那些尖銳的巖石,水流落在上面并被擊碎,面對(duì)尖銳的巖石,水流里面的魚(yú)會(huì)立刻粉身碎骨。你也可以設(shè)想其他的可能性:比如,水流也許會(huì)帶著魚(yú)安全、舒適地來(lái)到另外一個(gè)湖。類似地,也許在黑洞里壓根就沒(méi)有什么奇點(diǎn),而是一個(gè)通向另外宇宙的隧道。這聽(tīng)起來(lái)有些牽強(qiáng),但考慮到我們并不理解奇點(diǎn)而且我們除非親自掉進(jìn)去也無(wú)法知道在黑洞里到底發(fā)生了什么,所以我們也不能徹底排除這種可能性。
……