第一推动丛书·物理系列:宇宙的琴弦

第一推动丛书·物理系列:宇宙的琴弦

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作品简介

B·格林是当今世界领先的弦理论家之一,他十分精妙地把科学思想与写作融合起来。本书撩开了弦理论的神秘面纱,揭示了一个十一维的宇宙。那里,空间的纤维撕裂了又自己缝合起来,一切物质——从最小的夸克到最巨大的超新星——都在微观的小能量环的振动中产生。

本书荣获2000年安万特科学图书奖。从愉快的园中漫步到浇花龙头上的蚂蚁,为了说明现代物理学正在揭示的美妙而困惑的实在,格林用了很多例子。本书的才情令人眩晕,也没有哪本书像它那样启迪思想,愉悦读者。它真是一部科学的杰作——一次愉快清心的现代物理学旅行,让我们比以前离宇宙更近了……

B·格林,毕业于哈佛大学,在牛津大学获博士学位,是罗德学者(RhodesScholars)。1990年,他来到康奈尔大学物理系,1995年被聘为教授,1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他现在住纽约绮色佳。

作品目录

载入中

热门划线

  1. 空间和时间不仅受运动状态的影响,在物质和能量出现时,还会发生弯曲。我们将看到,空间和时间结构的这种扭曲将引力作用从一个地方传到另一个地方。2 人
  2. 为说明最后这个问题,我们想象左手拿一个电子,右手拿一个电子,然后让这两个完全相同的带电粒子靠近。粒子间的相互引力有助于它们靠拢,但电磁斥力却会把它们分开。哪种力更强呢?根本没法儿比:电磁斥力比引力强百亿亿亿亿亿(10\(^{42}\))倍!如果说右臂代表引力的大小,那么,为了让左臂能代表电磁力的大小,它必须伸展到我们已知的宇宙边缘的外面。在我们身边,电磁力并没有完全压倒引力,那是因为大多数事物都由等量的正负电荷构成,它们的电磁力相互抵消了。而另一方面,引力总是相互吸引的,不会消减——东西越多,引力就越大。不过根本说来,引力是极端微弱的。(所以,从实验来证实引力子的存在是很困难的。寻找最微弱的力的最小作用单元,是多大的挑战啊!)实验还证明,强力比电磁力强100倍,而比弱力强10万倍。但是,宇宙凭什么有这样的性质——“存在理由”在哪儿?一件事情为什么恰好是这样而不是那样,是钻牛角尖儿的问题,但我们现在的问题可不是那样的。即使物质和作用粒子的性质稍有改变,宇宙就会大为不同。例如,强力与电磁力的强度比例微妙地决定着构成化学元素周期表上百余种元素的稳定原子核的存在。挤在原子核里的质子因电磁作用而相互排斥,多亏了作用在质子里夸克间的强力才克服了排斥而把它们紧紧系在一起。但是,假如两种力量的相对强度发生极小改变,就很可能破坏它们之间的平衡,使大多数原子核发生分裂。而且,假如电子质量再大几倍,它就会与质子结合成中子,吞噬氢原子核(宇宙间最简单的元素,核里只有一个质子),从而破坏更复杂元素的产生。恒星的存在依赖于稳定核之间的聚变,如果基本的物理学发生了那些改变,它们也不复存在了。引力的大小也影响恒星的形成。挤压在恒星中心的物质密度是它核熔炉的能源,也是星光的源泉。假如引力的强度增大了,恒星会裹得更紧,从而大大提高核反应的速率。但是,正如烈焰比烛光能更快烧尽燃料,核反应速率的提高会使恒星(如太阳)更快消亡,给我们所知的生命的形成带来致命的灾难。反过来,假如引力强度大大减弱,物质根本就不能聚集在一起,当然更不可能形成恒星和星系了。2 人
  3. 例如,弦理论认为,我们观测到的粒子性质,表1.1和表1.2所列的那些数据,不过是弦的不同振动方式的反映。我们知道琴弦(提琴或钢琴)都有共振频率,即弦倾向的振动频率,也是我们耳朵听到的不同的音调与和声——同样,弦理论里的环也有这样的性质。不过,我们将看到,弦理论的弦在共振频率处的振动不是产生什么音乐,而是出现一个粒子,粒子的质量和力荷由弦的振荡模式决定。电子是以某种方式振动的弦,上夸克是以另一种方式振动的弦,等等。在弦理论中,粒子的性质绝非一堆混乱的实验结果,而是同一物理特性的具体表现:基本闭合弦的共振模式——也可以说是弦的音乐。这种思想也适用于自然力。我们将看到,作用力的粒子也关联着特定的弦振动模式,从而天地万物,一切的物质和所有的力都统一到了微观弦振荡的大旗下——那就是弦奏响的“音乐”。2 人
  4. 为实在地感觉上面提到的那些测量,让我们回到1970年,那时刚出现高速的大汽车。斯里姆刚用所有积蓄买了辆新Trans Am赛车,这会儿同兄弟吉姆一道来参加当地的汽车短程加速比赛,想试试那车怎么样(而车商是不会让他们那么试车的)。斯里姆加大油门,汽车飞也似地以每小时120千米的速度跑在那1千米长的跑道上,而吉姆则站在道旁为他测时间。为相互验证,斯里姆自己也拿秒表测量他的新车跑过这段路需要多长时间。在爱因斯坦以前,不会有人怀疑斯里姆和吉姆会测得完全相同的时间,只要他们的表运行正常。但是依照狭义相对论,如果吉姆的表测得的时间是30秒,那么斯里姆记录的时间将是29.99999999999952秒——小一丁点儿。当然,只有当我们的测量精度远远超过秒表、超过奥运会的计时系统,甚至超过最精确的原子钟,才可能确定那么微小的差别。难怪我们在日常生活中感觉不到时间的流逝依赖于我们运动的状态。对长度的测量,兄弟俩也会有不同的意见。例如,在下一轮试车时,吉姆用了一种很巧妙的办法来测量斯里姆的新车的长度:当车头经过身边时,打开秒表,车尾经过时,把它按下。因为吉姆知道哥哥的汽车在以每小时120千米的速度前进,所以拿速度乘以他秒表上的时间,就能得到车的长度。当然,在爱因斯坦之前,也不会有人怀疑吉姆以这种直接方法测得的长度与斯里姆在汽车停在车棚里测量的长度是完全一样的。但是,狭义相对论指出,如果兄弟两人用这种办法精确测量了汽车的长度,比如说,斯里姆测得的正好是5米,那么吉姆将发现它是4.99999999999974米——短了一点儿。与时间测量一样,这么小的差别是寻常仪器无法测量的。2 人
  5. 他在警告量子力学的拥戴者时,说过一句在物理学史上鼎鼎有名的话:“上帝不会跟宇宙玩儿骰子。”他觉得,几率在基础物理学中出现是因为某种说不清的理由,像在轮盘赌中那样,几率出现是因为我们的认识从根本上说还不够完备。在爱因斯坦看来,宇宙没有给靠机会实现的未来留下空间。物理学应该预言宇宙如何演化,而不仅是预言某个演化发生的可能性。但是,越来越多的实验——有些令人不得不相信的实验是在爱因斯坦去世以后做的——证明,爱因斯坦错了。英国物理学家霍金(Stephen Hawking)曾说过,在这一点上,“爱因斯坦糊涂了,而量子理论是对的。”2 人
  6. 不过,关于什么是量子力学的争论今天仍在继续着。每个人都知道怎么用量子理论的方程来做精确的预言,但是,关于几率的意义,关于粒子如何“选择”它的未来,还没有一致的认识;甚至,我们还不知道粒子是不是真的选择了一个未来;也许,它会像树枝那样分开,向着不断膨胀着的平行宇宙展开它各个可能的未来。这些观点本身都应该写一本书来讨论,实际上也有好多精彩的书以这样那样的方式思考量子理论的问题。但有一点是明白的,不论我们如何解释量子力学,从日常的立场看,它都不可否认地证明了,宇宙建立在一些奇异的原则上。2 人
  7. 。然而,在某些极端条件下,事物质量大而且尺度小——例如在黑洞的中心、在大爆炸时刻的宇宙——为了得到正确的认识,我们既需要量子力学,也需要广义相对论。可是,量子力学与广义相对论,一个像火药,一个像火,它们遇到一起便带来巨大的灾难。当这两个理论的方程混合起来时,好好的物理问题却得不出有意义的答案。那些无意义的答案主要是一些无限大的东西,如关于某过程的量子力学几率的预言,不是一个百分数,而是无限大。大于1的几率已经够荒谬了,无穷大的几率是什么呢?我们被迫承认,一定出了什么严重的问题。通过认真考察广义相对论和量子力学的基本性质,我们可以找出毛病在哪儿。2 人
  8. ,但抹平后的光滑已足以平息广义相对论与量子力学的水火不容。而且,还有特别的一点,从引力的量子理论的点粒子方法中产生的那些可恶的无穷大(上一章讨论过了),都被弦理论干净地消除了。2 人
  9. 我们想象那样一个宇宙,它的物理学定律像赶时髦似的令人捉摸不定——年年变、月月变、天天变,甚至每时每刻都在变。在这样的世界里,如果生命历程没遭破坏,我们还能生存,但至少可以说,我们永远不可能有瞬间停留的感觉。任何一个简单的行为都像在历险,因为世界在随机变化着,谁也不能靠过去的经验预测未来的结果。2 人

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