读本闲/弦书《超越时空》(Hyperspace)

远去的时光

先看一张照片以引出正文。1990年2月14日, 已经在太空中飞行了12年零5个月, 即将飞离太阳系进入深空探索的航海者1号探测器 (Voyager 1), 蓦然回首, 从大约60亿公里外太空回望太阳系行星拍摄了一组照片, 其中显示暗淡蓝点的一张, 正是我们人类的家园-地球, 看上去就像宇宙中的一粒尘埃。

图片引自 Wiki

我不敢肯定所有人都看过这张照片, 但我敢肯定所有人第一次看到这张照片时, 都会对人类居住的这颗星球和我们自身在宇宙中的渺小感到深深的震撼。 回到正文,《超越时空》(Hyperspace), 作者加来道雄 (Michio Kaku), 美籍日裔物理学家, 超弦理论奠基人之一。本书通过梳理近代物理学一百多年来的曲折发展历程, 以高维空间为线索, 对物理学前沿理论之超弦理论的来龙去脉作了通俗易懂的讲述, 并展望了未来利用其研究成果实现时空旅行的诱人远景。 生活在三维空间的我们几乎无法想象宇宙可能有更多维度的存在。作者儿时经常坐在水池旁观察池中游动的鲤鱼, 充满遐想, 池中的鲤鱼会怎样感知它们周围的世界。尽管作者与池中的鲤鱼相距仅仅几厘米, 然而, 他们之间却如距天涯。鲤鱼无法感知水面上的宇宙。作者进而想到, 我们也许就像"池子里"游动的鲤鱼, 以为我们的宇宙只包含那些看得见摸得着的事物。 高维空间概念的提出最早始于19世纪数学家黎曼。1854年, 黎曼在他的著名演讲《论作为几何基础的假设》中, 提出了一种全新的四维空间几何原理, 不仅撼动了持续了2000多年的欧几里得几何原理, 也同时纠正了牛顿建立的引力是两个远距离物体之间超距作用理论, 指出引力只是空间几何弯曲的结果。黎曼提出的全新的几何物理绘景, 对之后的物理科学研究产生了深远影响。在黎曼演讲后60年, 1915年, 爱因斯坦用黎曼四维几何数学原理提出了时空一体/质能转换的宇宙演化规则, 创立了广义相对论。1921年, 在爱因斯坦的四维时空基础上, 第一个关于高维空间的理论出现, 这就是卡鲁查-克莱因理论。该理论将光解释为在第五维空间中的震动, 尝试统一自然界中两种基本自然力-引力和电磁力。之后, 由于量子力学研究异军突起, 超空间理论研究被束之高阁。 人类从古希腊时期就开始了关于世界本源, 物质本性的探索。事实上, 生活在这个世界上的每个人或许都曾经问过自己, 我是谁, 这个世界是由什么组成的, 宇宙有没有边界。近代物理学研究发现, 我们宇宙中的所有现象都能够归结为四种基本作用力, 其中宏观层面的引力和电磁力无须多说, 引力约束整个宇宙星系, 使行星绕恒星运行。电磁力包括电, 磁和光本身, 其应用已遍及人类生产生活的各个层面。而物质构成微观层面的强核力和弱核力则少为人知, 原子核由质子和中子构成, 质子中子由夸克构成。强核力则是束缚原子核这些粒子的吸引力, 其作用核聚变为恒星燃烧提供能量, 产生光和热。弱核力左右原子核内某些粒子的放射性衰变形态, 如可致火山熔岩自然喷发。然而, 四种基本作用力彼此似互不相似。于是, 寻求把四种基本力统一成一种力, 以描述物理宇宙的所有定律, 成为20世纪以来理论物理学的主要挑战。 历经半个世纪的艰辛探索, 量子力学成功地规范了弱核力, 电磁力和强核力, 及组成所有物质的基本粒子, 建立了标准模型。但是, 标准模型仍然无法容纳广义相对论描述的引力。20世纪60年代末, 弦理论登场了。 弦理论起源于强核力作用的研究, 物理学家发现使用特定数学函数模型, 可以把原来的点粒子描述为某种特定空间的延伸量, 即一段弦, 弦分为开弦和连成环状的闭弦。1984年, 弦理论经引入超对称理论, 用闭弦描述了传递引力作用的引力子, 克服了量子力学标准模型无法包含引力的困境, 第一次统一描述了所有四种基本作用力, 创建了超弦理论。该理论的数学方程自洽的空间维数是9维, 加上时间维度总共是10维时空, 并推断宇宙大爆炸初始, 10个维度分裂成了4维时空和6维空间, 4维时空暴胀形成现在的宇宙, 另外6维蜷缩到难以观察的微小尺度。根据该理论, 组成物质的所有基本粒子是由无数不同振动方式的弦形成, 宇宙中的物质只不过是由无数振动的弦产生的和声。虽然, 目前超弦理论还很不完善, 且目前的实验手段也无法验证, 但超弦理论的重要性在于它能够在高维空间的框架内统一所有物理基本作用力, 成为有希望实现物理学所追求的万有理论。本书1994年出版, 近20多年来, 该理论已发展为11维度的M理论。 当人类仅仅掌握了四种基本力中的一种电磁力, 就不可逆转地改变了人类历史的进程, 把我们从贫穷的前工业社会提高到现代文明。如果我们用这种眼光审视未来, 即人类渐次掌控所有四种基本力, 也许真的有一天, 可以实现被科幻小说当作噱头的时间机器, 穿越虫洞, 超空间旅行, 那将会极大地影响人类文明的进程。 说它是本闲书, 是指书中介绍的理论离我们现实生活的确遥远, 好像没什么用, 我们这辈子想体验超时空旅行是不可能了。但也不尽然, 也许它会潜移默化地影响你对存在, 物质, 意识, 时间, 宇宙的认知和领悟, 偶尔看看繁星明月, 冥想神游几百亿光年外的宇宙, 想象人类的意识能否追上光速,穿越虫洞, 回到过去, 预言未来 ... 偶尔尝试拍摄星空银河, 贴一张呼应一下本文的时空氛围。

西藏羌塘无人区拍摄

如果宇宙起源的大爆炸理论是对的, 那未来宇宙坍聚湮灭也是必然的归宿。几年前读过一篇科幻小说结尾描述宇宙末日的景象, 作者大手笔把宇宙湮灭的过程写得既风平浪静又波澜壮阔。谁想写这篇读书笔记时那一幕场景又浮现在眼前, "... 抬起头, 看向夜空, 穹苍之上, 一片寂寥, 群星慢慢地闭上了眼睛"。就此打住。