现在,在NOVA
进入一个比科幻小说更加奇异的世界
那里打破常规
那儿有对宇宙的全新观点,把你带到一个超越想象的新世界
这就是弦理论的世界
是形容各种力量,从原子到地球所有物质的一种途径
直至星系的终结
从时间的产生到终结,单一的理论
万物的理论
引领我们到这新世界的向导是布来恩.格雷尼
畅销作家和物理学家
无论我来这儿几次
却总无法适应
他能帮我们解决这个现代物理学最大的疑问吗
我们对宇宙的理解基于两套定律
不认同吗?
甚至与爱因斯坦相违背
他做了最终的探究
几十年后,我们几乎找到了突破口
解决之道是弦
小块的能量就像在大提琴上震动的弦
位于现实核心的宇宙交响乐
它是要有代价的: 平行宇宙和11维
大都你未见过
我们确实生活在一个比肉眼所见更多维的宇宙中
认为空间有额外维的人一度被看作疯子
或者神经错乱的人
科学和数学的幻想或者独一无二的万有理论?
如果弦理论无法提供可检测的预计
没人会相信它
是物理学的理论还是哲学的?
能确定的是弦理论已告诉我们
宇宙比我们想象的奇异得多
出现在今夜…
革命性理论的开始很艰难
我深信,撒斯肯得是下一个爱因斯坦
显得很疯狂
我很失落,不开心
我醉倒在家
困扰着科学家们追求物理学界的圣杯,
他们为自己的探索做好准备了吗?
马上就进入优雅的宇宙的奇异世界
NOVA主要靠PARK机构的资助
科学: 它给以无线电交流清晰的框架
Sprint很荣幸支持NOVA
三年里有400个雇员
在微软, 你们的潜能鼓舞我们创出更多软件
你们的潜能,我们的热情
Alfred P. Sloan 机构提供优雅的宇宙以资金支持,
增强人们对科学技术的认识
通过国际科学机构,美国在未来的投资
附加的资金由美国Volkswagen提供
还有乔治.D.史密斯,
促进科学和安全
也由公共广播组织提供,
还有你们这样的来访者. 很感谢
这是鲜为人知的秘密,而超过半个世纪以来,一团乌云笼罩着现代物理学界
问题是: 我们对宇宙的理解基于两套不同理论
一个是爱因斯坦的广义相对论
这是了解宇宙中最大物质的途径
比如星体,星系
而宇宙中最小的物质
原子和亚原子粒子,依据另一套定律
量子力学
这两套定律在各自领域都十分精准
而每当试着合并
去探索宇宙最深的奥秘时,麻烦就来了
以宇宙的产生,也就是大爆炸为例
那一瞬间,极小的一块猛烈爆炸
经过之后的140亿年,宇宙膨胀
和冷却,成了如今的星体,星系和行星
如果倒着播放这宇宙的片段,
一切分开的再聚集起来,
当我们回到时间产生的时候,宇宙越变越小,越来越热,越来越密
回到大爆炸,宇宙无比重和微小的时候,
停住我们的放映机
两套物理定律合在一起的时候,就崩溃了
而如果能合并量子力学和广义相对论
再看这整部宇宙影片会怎么样呢?
那么一套全新的弦理论也许可以
如果确实这样, 将是科学史上最卖座的影片
某时, 弦理论也许能解释所有自然现象,
从最细微的物质到宇宙最远处,
仅用一种成分
叫做弦的微小的震动的能量
而为什么要因此改写物理定律呢?
两套不相容的定律有什么要紧呢?
这样想一下
设想你所居住的城市不由一套交通规则控制,
而有两套相矛盾的规则
就会发现非常混乱
想了解这地方,
必须想办法合并这两套矛盾的定律
成为包罗万象的一套定律
我们的工作是,假设有这样一套理论,
如果我们够聪明能干,就得想出来
我们无法保证一定成功,而并非遥不可及
希望最终能有一套主宰一切的理论
而在找到这理论前,
要进行一次奇幻的旅程
看看为什么两套定律相互矛盾
这奇异旅程的第一站是庞大物体的领域
用其中一套理论宏观地描述宇宙,
是爱因斯坦的广义相对论
这是解释引力运作的理论
广义相对论把空间展示为蹦床,
一层光滑的面,星体和行星可以扭曲和伸展它
根据这理论,这些曲线变形造成我们所谓的引力
就是说,令地球饶太阳旋转的引力
无非是地球随着
太阳在空间上造成的曲线和波动而动
而广义相对论预测的光滑而有起伏的空间
并非全部
想微观地了解宇宙,
要用另一套理论,量子力学
如我们所见的,
量子力学所描述的空间,与广义相对论的截然不同.
你会觉得它们在描述两个宇宙
去看看广义相对论和量子力学的矛盾
我们要变得很小很小
当我们离开庞大物体的世界
接近微小物体的领域
熟知的一切有着规律的空间
渐渐被结构不稳定的世界代替
如果我们继续缩小,
到几百亿倍的小,甚至小于最微小的物质
原子和里面的微粒子
描述微观的定律,量子力学
认为这里的空间波动且混乱
我们最终来到有违常理的世界
这儿,空间和时间变形扭曲,传统的概念
左右
上下
甚至前后,都崩溃了
无法确认我们在这儿,
或这儿,或同时在两个地方
或我在到这儿前,已到了这儿
量子的世界无法承诺任何事
这儿是近乎疯狂难琢磨的
量子世界的定律与我们固有的很不同
奇怪吗?
为什么原子层面的微观世界,
要遵循固有的规则呢?
有苹果,橙子,行人的规则呢?
为什么要同样的行为呢?
量子力学预测的时空波动
与平滑的,有秩序的,几何模式的时空是相矛盾的
由广义相对论所描述的
而我们认为万物
从亚原子粒子的疯狂跳动到到星系的旋涡,
都该由一套物理原则解释,一套总方程
如果我们找到这方程
宇宙如何运作,无论何时何地,都可完全揭开
我们需要的理论,是可以解释最微小和最庞大的,
包含量子力学和广义相对论,永不会崩溃
对于物理学家,找到这联合广义相对论和量子力学的理论就像圣杯,
因为那框架会给我们一套描述主宰宇宙所有力的单一数学理论
广义相对论描述最为人熟悉的力:引力
而量子力学描述另外三种力:
强核力
负责粘住原子内的质子和中子
电磁力,产生光,点,和磁吸引力
还有弱核力:
负责放射性的衰变
宇宙中一切
由原子分裂到星球产生,
都来自这四种力相互影响
爱因斯坦用他人生最后30年
探索一套描述所有自然力量的单一理论,
如今弦理论实现了他统一的梦想
几世纪来,科学家假设自然界最基本的成分
原子和里面更小的粒子,像小球装和点状
而弦理论阐明在所有物质的核心
是叫做弦的,一簇簇细微的震动的能量
新派科学家相信这弦就是
统一宏观和微观世界,成为单一理论的关键
我们所拥有的一套科学理论
能解答最基本问题的理论,十分吸引人
2000年来
一切物理学基于…基本上是所说的桌球
弦这特别的概念是种转移,
代替桌球, 而用一条条意大利面
而并非每个人都接受新理论
目前还无法用实验证明弦的存在
简单说
有物理学家也有弦学家
这是新派的,可以说是肿瘤
说什么都可以,
但他们关注的是实验无法证明的问题
弦学家会否认这点,
这是还未被验证的物理学,
它的预测
无法在实验室证明,也不能在太空或用望远镜验证
我从小到大一直相信,物理是实验的科学
由实验得出结论,或是通过天文学,观察
初始时,很多科学家认为弦理论远离现实
坦白说,这理论的演化既离奇又有巧合
显得不可能
事实上,它的诞生也是个传说
可能是这样…
1960年代末,年轻的意大利物理学家,维内齐亚诺,
寻找解释强核力的方程,
那就是原子核内
粘着质子和中子的力量
一天他无意发现一本陈旧的物理历史书,
他发现了200年前的一个方程
由瑞士数学家欧勒写的
维内齐亚诺惊讶地发现欧勒的方程,
被视为数学方面的,似乎在描述强核力
他很快发表了论文,意外地成名了
我偶尔看到的书写着
这模型是意外发现的,或在数学书找到的
令我感到不舒服
事实上这是多年研究的成果,
我们无意发现了弦理论
无论怎么发现了它,
欧勒这个解释强核力的方程, 广为流传
这是弦理论的诞生
广为传播着,
欧勒的方程终结在一位美国物理学家撒斯肯得面前
我仍记得方程
这方程是…
看着它,我说道, 这很简单我也想得出来
撒斯肯得躲在他的阁楼研究
他明白了这古老的方程以数学方式描述了强核力,
而他在抽象的符号下发现了新东西
他仔细研究
在阁楼里思考了2个月
而首先看到的,
是在描述某种有内部结构的,会震动的粒子,
它不只是质点
我开始领悟到所描述的是弦,有弹性的弦,
像橡皮圈或半个橡皮圈
它不仅会伸缩,还会扭动
恰好符合这方程
当时我很确定世上只有我知道这点
撒斯肯得以论文介绍了这革命性的弦理论发现
而论文公开前,由专家组审核
我完全相信他们会说,
撒斯肯得是下一个爱因斯坦,甚至牛顿
而回复却是,这论文并不好,不该发表
我很受打击
我很失落,沮丧,伤心
令我精神崩溃,醉倒在家里
因这套理论被拒,撒斯肯得借酒消愁,
显得弦理论终止了
此时,主流科学仍抱着粒子是点,而不是弦的想法
几十年来, 物理学家一直探索着微观粒子的行为
以高速撞击它们,研究这撞击
产生的粒子如倾盆大雨般,他们发现自然界比想象中更丰富
每个月都会发现新粒子
Ρ介子,Ω粒子,B粒子,B1粒子,B2粒子,Φ,Ω…
更多英文字母以外的字母
这是粒子的大爆炸
当时研究生们会跑到物理楼的走廊
大喊发现了另一种粒子,它符合理论
大家都很兴奋
在这新粒子的园地, 科学家不仅发现物质的组件
弦理论已无人问津,科学家作出另外的奇异预测
自然力量也可以用粒子解释
这是个奇怪的概念,但就像接球的游戏,像我这样
而我就是物质的粒子
而我们扔的球就是力的粒子
叫做信使粒子
比方说,磁力,或电磁力,这个球就是光量子
信使粒子或光量子来回的次数越多,
磁吸引力就越强
科学家预测,信使粒子的来回往来,造成我们感到的引力
实验证明这些预测,由于信使粒子,电磁力
强核力和弱核力的发现
利用这些新发现的粒子
科学家离爱因斯坦的统一梦更进了
粒子物理学家推断,若把宇宙影片倒回到大爆炸后一刻,
约140亿年前,宇宙热很多很多,
电磁力和弱核力的信使粒子很难区别
就像冰块在太阳下融化
实验显示,返回到大爆炸的高热状况,
弱核力和电磁力会融为一体,成为单一的力
叫做电弱
物理学家相信, 如果回到更早的时候,
电弱会和强核力结合,成为超强力
尽管还未被证实,
量子力学能解释三种力在亚原子层面如何运作
突然我们有了一套统一的基本粒子物理理论,
能解释所有的相互相互作用?
弱,强,电磁力,以同种语言
一切合情合理,都印在课本上
一切成为一幅包含已知粒子和力的画面,
最终被命名为标准模型.
应该是我命名的
标准模型的发明者,包括理论,在科学界很轰动
获得了诺贝尔奖
在光芒背后是有缺陷的
尽管标准模型解释了规范微观世界的三种力,
并没有包含最令人熟悉的引力
被标准模型掩盖了,弦理论成为一潭死水
业内许多人都失去了对弦理论的兴趣
他们说这的确是很优雅的东西,但对大自然无用
大多数人没认真对待
而弦理论的先行者
深信它们合乎真实,继续追寻这概念
而他们越是深入钻研弦理论,问题就更多了
早期的弦理论有很多问题
其一是它预测的粒子不合物理学
叫做快子,比光还要快
这理论的发现需要十维空间,
令人苦恼,当然,显然比我们有的多
它是无质量的粒子,无法由实验所见
因此这些理论显得不合理
显得疯狂
基本上,弦理论无法突破
大家都呼吁这是不可能的
到1973年
只有几位年轻物理学家仍然纠缠于弦理论方程
有个叫史瓦次,忙于解决弦理论的问题,
理论预测到无质量的神秘粒子,而从未在自然界见过,
还有异常状况或数学矛盾
我们花了很多时间调整这理论
我们尝试一切,把它变成4维,
去除无质量粒子和快子等,
但结果难看,没人信
史瓦次花了4年驯服弦理论方程,
改变,调整,结合,以其他方法再结合
但都不行
在几乎要放弃它的时候,史瓦次灵机一动
或许他的方程在描述引力
就是说要重新考虑这微小能量的大小
那之前没想过引力
但当提出要以引力理论处理,
我们得彻底重新考虑弦的大小
假设弦比原子小无数倍
理论的一个缺点变成优点
史瓦次一直想去除的神秘粒子现在变成引力子,
相信是在量子层面传送引力的粒子
弦理论提供了标准模型所缺少的版块
史瓦次申请发表这突破性的理论,描述引力的活动
在亚原子的世界里
我们觉得这理论是正确的
而科学界却没有回应
弦理论再一次受挫
但史瓦次没有放弃
他瞥到了圣杯所在
如果弦在量子层面描述引力,
一定就是统一四种力的关键
他找到了探索之路上的同伴, 愿意把自己的事业赌在弦上的人
麦克尔.格林
我们对弦理论是正确的很有信心,
当时无人理会并没什么关系
他们以后就会明白
为免信心白费,
他和史瓦次必须面对一个事实,在1980年代早期
弦理论仍有数学缺陷:异常
异常就是奇怪的
像一些格格不入的东西
这异常只是古怪
而数学异常是物理理论的灾难
它们有些复杂,让我举些例子:
假设我们有一套有两个方程的理论
描述宇宙的一个物理性质
如果解开这方程,X=1
再解开这方程,X=2,
这理论就有异常,因为X只能有一个值
除非能修正这方程,使两边X的值一样,
否则理论就完了
1980年代早期,弦理论就充满了这类数学异常,
尽管方程要复杂得多
弦理论的未来在于是否能协助方程,消除致命的矛盾
史瓦次和格林与弦理论的异常奋斗了5年之后,
在1984年夏天的某晚,他们的研究到达高潮
一般人认为这理论既然有异常,就一定有矛盾
不知为何,我一直觉得他们错了,
因为我觉得弦理论一定正确,不可能异常
因此我们决定必须计算出来
神奇的是一切归结为一个算式
一边算出496
如果在另一边得到相同值
将证明弦理论没有异常
我还记得那特别时刻,
当我和史瓦次在黑板前商量,推算这一定要相等的值
我记得当时和史瓦次开玩笑,外面狂风暴雨
因为当时的暴风雨,我说道,
我们一定是成功在望了,因为神想阻止我们完成这计算
结果的确相等了
数字的相等表示理论并无异常
它有数学能力包容四种力
我们看到弦理论不仅能描述引力,还能描述其他力
因此我们提到统一
我们把这视为实现爱因斯坦晚年的梦想的一个机会,
将不同的力结合为更深层的结构
我们觉得很棒
是个非常时刻,
因为我们意识到从未有其他理论如此成功
而现在,有点像狼来了.
每次有点进度,以为大家会很兴奋,却没有
我现在并不期望很多回应
而这次回应惊天动地
不到一年,弦学家的数目从寥寥无几到几百个
之前我发表的演讲最多只有5分钟,在小型会议上
突然受邀到世界各地演讲
弦理论被视为万有理论
1984年初秋,我来到牛津大学,
开始物理研究生的学习
几周后,我看到格林前来演讲
我不知道他是谁,当时我谁也不认识
而演说的标题是万有理论,我怎能抗拒呢?
这优雅的新的弦理论似乎能描述所有构成自然的部分
以下是实例:
每粒沙里面有几十亿的微小原子
原子由更细微物质构成,
电子绕原子核旋转,原子由质子和中子构成,
而它们由更小的物质夸克组成
而弦理论说这并非尽头
它提出惊人的声明,构成万物的粒子
由更小的成分构成,
扭动的像弦的能量
每条弦难以置信得小
事实上,把原子扩大到太阳系的大小,
弦相当于一棵树的大小!
这是关键的构想
就像大提琴上一根弦以不同震动模式
造就了不同的音符,
不同的震动方式形成粒子的特性,
比如质量,电荷
例如,构造我们的粒子
和传送引力的粒子或其他力的粒子,唯一的区别,就是弦的震动方式
由无数扭动的弦合成,
宇宙就像壮大的交响乐
这优雅的概念化解了亚原子层次动荡不安的景象
跟宏观平滑空间的矛盾
量子力学的不安定
跟爱因斯坦广义相对论的平和,很难相结合
现在弦理论的出现,基本上平和了量子力学的不安定
将传统概念中的点状粒子拉伸到弦状
不安定活动仍存在,
只是程度轻微,令量子力学和广义相对论在这框架内结合起来
这是数学界的成就
只凭震动的弦
弦学家声称已实现爱因斯坦统一所有物质和力的梦想
而这新理论有个漏洞
没有实验能检测距离实际的情形
没有观察能与研究细微距离或高能量相关联
就是说,没有实验,
也没有观察,能证明,
你们错了.这套理论永远安全
这是物理还是哲学理论?我问你
有人批评弦理论远离一切,远离直接实验的检测,
因此不能完全当作物理的分枝
我的反应很简单,有一天能证明他们错了
令弦理论更加难以证明的是,为了要解开
复杂的方程,需要听起来像源自科幻小说的东西:
额外一维的空间
几世纪以来,我们认为只有眼前所见的东西
只有这三维
还有个时间
曾提出有更多维空间的人,被看作疯子,或神经错乱的
弦理论确是这样预言
正视它,弦学家不得不解释荒唐的预言如何属实
他们声称更多维的概念,比你所想的要现实
让我表明我的意思
我要去见一个较先有这奇怪理念的人
我将在4点和他见面,在5街和93街交界的2楼
为了这次会面,我需要四种信息:
三维空间各一种
街,大道,楼层,还有时间,这第四维
你可认为这是日常体验的4维:
左右,前后,上下,和时间
空间不仅3维的古怪概念要追溯到一个世纪
我们活在一个三维空间的概念似乎不容置疑
而1919年,卡鲁察,
一位名不见经传的德国数学家,居然敢挑战它
他提出,或许
我们的宇宙有多一维,因为某种原因看不见
他说,我欣赏你的想法,但他为何要等?
卡鲁察将多维空间的概念给爱因斯坦看
尽管最初爱因斯坦很有兴趣,
后来却有点动摇,阻碍了卡鲁察2年不能发表论文
爱因斯坦同意更多维的概念后,卡鲁察的论文最终发表了
是这样的
1916年,
爱因斯坦表明引力只是4维空间里的波动和涟漪
仅仅3年后,卡鲁察提出电磁力也可能有涟漪
如果真的,卡鲁察就得找个地方令涟漪产生
因此卡鲁察提出了隐藏的空间
而如果卡鲁察是对的,额外的维在哪儿?是什么样呢?
能想象得出吗?
以卡鲁察的研究为基础,瑞典物理学家克来恩给了个不寻常的答案
看挂交通灯的电缆
这么远看不到任何厚度
就像一条线,只有一维空间
假设可以靠近探索
就像蚂蚁的角度
就能看见包着电缆的第二维空间
从蚂蚁的角度能前后移动,
也可顺时针或逆时针
所以维分成两种
可以长又平,就像电缆的长度,
也可以又小又弯曲,就像包着电缆的弧度
卡鲁察和克来恩提出的狂想,空间就像电缆的表面,
有我们熟悉的广阔的三维空间,又有微小的弯曲的维,
比原子要小几十亿倍,看不见它
所以我们以为活在三维空间,或许不完全正确
我们活在眼前以外更多维的宇宙
那额外的维是怎么样的呢?
卡鲁察和克来恩提出,如果我们可以缩小几十亿倍,
可以发现空间的每一点都有细小而弯曲的维
就像蚂蚁可以探索电缆的弧面,
理论上,几十亿倍小的蚂蚁
也可以探索这细小而弯曲的维
认为有额外维的想法是弦理论的核心
事实上,弦理论的数学要求,并不是一个,而是6个额外的维,
交错纠缠成复杂的形状,有点像这样
如果弦理论是正确的,我们得承认有更多维空间,
我感到很惊人
如果我接受这理论,就得得出有额外维空间的结论
它们是自然的一部分
提及额外维
其实指三维以外的空间,就像我们看到的周围的空间一样
唯一的分别是形状不同
但弯曲成奇怪形状的额外维,
怎么影响我们的日常生活呢?
根据弦理论,形状就是一切
因为形状,法国号可以吹出各种不同的音
如果按其中一个键,会改变音,
因为你改变了号里空气回荡的空间的形状
我们认为弦理论的弯曲维的空间是类似的
如果我们可以进入弦理论预测的6维形状里
就会看见额外的维在纠缠弯曲,
影响到弦,宇宙最基本的元素,怎样活动和震动
这可能是破解大自然奥秘的关键
我们的宇宙就像精密的仪器
科学家发现约20个数字,
20个基本自然值,造成我们如今宇宙的特性
这些数字就像电子的重量,
引力的强度,电磁力,强核力和弱核力
只要我们将宇宙仪器,依照这20个值精确地设置,
就会成为我们熟悉钟爱的宇宙
而如果改变少许
后果将不堪设想
比如,我提高电磁力的强度,
原子排斥的力度加强,令星体发光的核熔炉崩溃了
星体,包括我们的太阳,完结了,
我们认识的宇宙消失了
自然界的什么力量使这20个值这么精确?
答案可能是弦理论的额外维
弦理论预测的弯曲,微小的6维形状
使弦以特定形式震动,形成了光子
另一条弦以另一模式震动,产生了电子
因此根据弦理论,
微小的额外维的形状的确可以主宰自然界的一切,
奏出弦的和谐的宇宙交响乐
1980年代中期,弦理论势不可挡,
但光芒背后却很混乱
多年来,弦学家如此成功,他们构筑的不是一个,
而是5个弦理论版本
每个都基于弦和额外维
细节上,5种却不协调
某些版本,弦是开口的一缕缕的
另外则说是闭合的环
一瞥,两个版本甚至要求26维
5个版本都显得合理.
哪个描述我们的宇宙?
这令弦学家有些尴尬,因为一方面,
我们想说这个就是真理,是对宇宙的终极描述
但我们还想说,有5种味道
一个宇宙你们会预期只有1套理论,而非5个
这是因多得少的最好例子
不喜欢弦理论的人的一种态度是,
你有5种理论,不是独一无二
这情况很怪,
因为我们希望有一套自然理论,不是5套
如果有5套,更有甚者会找到20套
或者无限的,
会回到胡乱搜寻宇宙理论的阶段
也许5套弦理论中正有一套描述我们的宇宙,而另一方面
哪一套?为什么?另外的有什么用?
有5套弦理论虽然是很大的进步,但有人会问:
如果其中一套理论是在描述我们的宇宙,那谁生活在另4个世界?
弦理论似乎又失势了
很多物理学家苦无进展,渐渐放弃这理论
弦理论是否能证实万有理论
或者沦为空有的理论?