《第一推動叢書·物理系列·宇宙的琴弦》書摘

現(xiàn)代物理學所依賴的是兩大支柱菩鲜。一個是愛因斯坦的相對論淋样，它為我們從大尺度認識宇宙（如恒星、星系唆垃、星系團以及比它們更大的宇宙自身的膨脹）提供了理論框架五芝；另一個是量子力學，我們用這個框架認識了小尺度下的宇宙：分子辕万、原子以及比原子更小的粒子枢步，如電子和夸克。
弦理論有能力證明渐尿，發(fā)生在宇宙間的一切奇妙的事情——從亞原子世界里夸克瘋狂的舞蹈醉途，到太空中飛旋雙星高雅的華爾茲；從大爆炸的原初火球砖茸，到星河的壯麗旋渦——都體現(xiàn)著一個偉大的物理學原理隘擎，一個偉大的數(shù)學方程。
夸克本身有兩種凉夯，它們的名字不那么有創(chuàng)意货葬，一個叫上采幌，一個叫下。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成震桶，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成休傍。
如果弦理論是正確的，我們宇宙的微觀結構將是一座錯綜復雜的多維迷宮尼夺，宇宙的弦在其中不停歇地卷曲尊残、振動，和諧地奏響宇宙的旋律淤堵。大自然基本組成的性質絕不是偶然的寝衫，而是深刻地與時空結構交織在一起的。
弦理論是21世紀物理學偶然落到20世紀的一個部分拐邪。
弦理論不過是更宏大的綜合理論的一部分——那個理論現(xiàn)在（頗為神秘地）叫M-理論慰毅。
狹義相對論首先關心的是，相對運動著的個人（通常叫“觀察者”）所看到的世界是什么樣的扎阶。
相對運動的觀察者不再會看到相同的空間和時間汹胃。
這個例子抓住了相對性原理的精神：運動的概念是相對的。只有在相對于其他事物或與其他事物比較時东臀，我們才能談一個物體的運動着饥。
如果不與“外面的”事物進行比較，你就不可能知道自己處在什么運動狀態(tài)惰赋。根本沒有什么“絕對的”勻速運動宰掉，只有比較才有物理意義。
不論你迎著光還是追著光跑赁濒，它靠近或離開你的速度是不會改變的轨奄，都是每小時10.8億千米。不論光子源與觀測者如何相對運動拒炎，光速總是一樣的挪拟。
換句話講，如果兩個觀察者是相對運動的击你，那么在一個人看來同時發(fā)生的事情玉组，在另一個人看來是不同時的。
當然丁侄，“完全規(guī)則的循環(huán)運動”也隱含著時間的概念球切，因為“規(guī)則”指的正是每一個循環(huán)經歷相同的時間間隔。
運動如何影響時間的流逝绒障，也就是說，如何根本地影響任何鐘的節(jié)律捍歪，而與鐘的具體設計和構造無關户辱。
不過我們需要明白鸵钝，不光是空間維分解運動，時間維也能“分享”運動庐镐。
因此恩商，光不會變老；從大爆炸出來的光子在今天仍然是過去的樣子必逆。在光速下怠堪，沒有時間的流逝。
向上的加速度可以替代引力名眉。我們能以適當?shù)募铀龠\動來模擬引力效應粟矿。
愛因斯坦將加速運動與引力的不可分辨的性質稱作等效原理。它在廣義相對論里起著核心的作用损拢。
但愛因斯坦證明了陌粹，在所有加速運動的情形，空間都是彎曲的福压。
但問題跟著來了：彎曲的空間可以用卷曲的圖形來表現(xiàn)掏秩，那彎曲的時間是什么呢？
假如時間在不同的位置上有不同的速度荆姆，我們就說時間是彎曲的蒙幻。
據愛因斯坦的觀點，引力就是空間和時間的彎曲胆筒。
根據愛因斯坦的理論邮破，引力的動因是宇宙的結構。
愛因斯坦證明腐泻，物體在空間（準確說是時空）的運動總沿著可能的最短路線——“可能的最容易的路線”或“阻力最小的路線”决乎。如果空間是彎曲的，這樣的路線也會彎曲派桩。
質量牽著空間构诚，告訴空間如何彎曲；空間牽著質量铆惑，告訴質量如何運動范嘱。
狹義相對論在高速運動的情形會顯著地表現(xiàn)出來；廣義相對論則在物體質量大员魏、空間和時間相應地彎曲劇烈時發(fā)揮自己的作用丑蛤。
理論的內在矛盾在推動科學進步中，也起著與實驗同等重要的作用撕阎。
量子力學絕對地不容爭辯地向我們證明了受裹，我們熟悉的尋常世界的許多基本概念，在微觀領域不再有任何意義。結果棉饶，我們必須極大地改變我們的語言和邏輯厦章，以認識和說明原子和亞原子尺度的宇宙。
光的頻率（顏色）決定著射出電子的速度照藻；光的總強度決定著射出電子的數(shù)量袜啃。
消聲器就利用這個道理——它測出輸入的聲波波形，然后生成與之“相對”的波幸缕，使它們相互抵消群发，消除不需要的噪音。
光電效應證明光具有粒子特性发乔，雙縫實驗證明光能表現(xiàn)波的干涉特性熟妓。兩個事實結合起來證明了光同時具有粒子和波的特性。
巨大的光速c遮擋了時間和空間的本性列疗，微小的h則令尋常世界的物質隱藏了它們波動的一面滑蚯。
任何想證實量子世界的基本物理量的嘗試，都會破壞實驗的結果抵栈。
在足夠高的能量和溫度下——如在大爆炸的幾分之一秒內——電磁場和弱力場熔化在一起告材，表現(xiàn)出不可分辨的特征，應該更準確地叫弱電場古劲。當溫度下降斥赋，電磁力與弱力便結晶似地分離開來（分離的過程實際從大爆炸時就開始了），具有與高溫下不同的形式——這樣一個過程就是有名的“對稱破缺”
物理學家把這個關于引力外的三種力和三族物質粒子的理論叫做標準理論产艾，或者疤剑，更多的時候稱它是粒子物理學的標準模型。
我們說宇宙體現(xiàn)著一種強力對稱性：物理學不因力荷的轉移而改變——或者說闷堡，物理學一點兒也不知道力荷轉移了隘膘。
廣義相對論的核心原理——光滑的空間幾何的概念——被小距離尺度的量子世界的劇烈漲落破壞了。在超微尺度上杠览，量子力學核心的不確定性原理與廣義相對論核心的空間（以及時空）的光滑幾何模型是針鋒相對的弯菊。
弦理論的數(shù)學結構太美了，還有那么多奇妙的性質踱阿，一定關系著什么更深層的東西管钳。
這些閉合的弦一般是普朗克長度的尺度，大約是原子核的一萬億億分之一（小數(shù)點后面19個零）软舌。
依照弦理論才漆，一個基本“粒子”的性質——它的質量和不同的力荷——是由它內部的弦產生的精確的共振模式決定的。
依照弦理論佛点，每種基本粒子所表現(xiàn)的性質都源自它內部的弦經歷著特別的共振模式醇滥。
振動弦的能量由兩樣東西決定：振動的準確模式（振動越瘋狂，能量越高）和弦的張力（張力越大，能量越高）腺办。
在廣義相對論里空間和時間形成一個光滑彎曲的幾何結構焰手；而在量子力學中，宇宙萬物怀喉，包括空間和時間，都在經歷著量子漲落船响，而且躬拢，在越小的距離尺度上，漲落越劇烈见间。在普朗克尺度以下聊闯，瘋狂的量子漲落打破了光滑彎曲的幾何概念，也就推倒了廣義相對論的基礎米诉。
在亞原子尺度菱蔬，量子概念取代了經典邏輯，粒子探針靈敏度的最恰當?shù)亩攘渴撬牧孔硬ㄩL史侣，波長表明了它的位置有多大的不確定性拴泌。
在弦理論定律主宰的宇宙中，我們不能再像傳統(tǒng)那樣把大自然無限地分割下去惊橱。分割是有極限的蚪腐，
所以，從某種意義說税朴，當代理論物理學的核心矛盾是我們自己造出來的問題回季。
因為弦是有空間大小的，它們在空間的什么地方正林、在什么時刻第一次發(fā)生相互作用泡一，不可能有明確的位置——那依賴于觀察者的運動狀態(tài)。
宇宙的每一個電子總是永遠地以固定不變的速率旋轉觅廓。電子自旋不是我們習慣的那類物體偶然發(fā)生的短暫的旋轉運動鼻忠，而是一種內稟的性質，跟它的質量和電荷一樣哪亿。如果電子沒有自旋粥烁，它也就不是電子了。
在玻色子弦理論中蝇棉，有一種振動模式的質量（更準確說是質量的平方）是負的——即所謂的快子讨阻。
我們宇宙的空間結構既有延展的維，也有卷縮的維篡殷。就是說钝吮，我們的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的維——我們尋常經歷的三維奇瘦；也有像水管在橫向上的圓圈那樣的卷縮的維——這些多余的維緊緊卷縮在一個微小的空間棘催，即使用我們最精密的實驗儀器也遠不能探測它們。
為了讓弦理論有意義耳标，宇宙應該是10維的：9個空間維醇坝，1個時間維。
從宇宙學的觀點看次坡，我們可以想象所有的維原來都是緊緊卷縮著的呼猪，然后，3個空間維和1個時間維在大爆炸中展開砸琅，一直膨脹到今天的尺度宋距；而其余的空間維仍然卷縮在一起。
當弦在卷縮維振動時症脂，卡-丘空間孔洞的分布和孔洞周圍的空間褶皺方式將直接影響可能的共振模式谚赎。
在超微觀的領域，弦的延展本性意味著黎曼幾何肯定不會是正確的數(shù)學形式诱篷。正如我們即將看到的壶唤，它將被弦理論的量子幾何所取代，我們將面臨一些嶄新的意想不到的特征兴蒸。
弦理論以一種奇異的方式為物理學能達到的距離尺度確立了一個下限视粮，它聲稱宇宙在任何空間維上都不可能收縮到普朗克長度以下。
纏繞的弦有一個極小質量橙凳，取決于卷縮維的大小和纏繞的圈數(shù)蕾殴。弦的振動則決定超過極小質量的那部分質量。
如果弦理論是對的岛啸，這個宇宙與一個展開維的半徑只有1/R=1/1E61=1E-61普朗克長度的宇宙在物理學上是一樣的钓觉！
在這個意義上，我們可以認為宇宙既可能像我們尋常感覺的那么大坚踩，也可能小得可憐荡灾。根據輕弦模式，宇宙是巨大而膨脹的瞬铸；而據重弦模式批幌，宇宙是渺小而卷縮的。這里沒有矛盾嗓节，而是存在著兩種不同然而卻同樣合理的距離定義荧缘。
評價蟲洞是真還是假，基本的一點在于決定空間結構是否可能破裂拦宣。
還在弦理論發(fā)現(xiàn)之前截粗，就有物理學家猜想信姓，量子力學與廣義相對論的恰當結合將證明，那種表面的空間破裂實際上會被量子行為平滑掉——也可以說绸罗，破裂的空間又被“縫合”起來了意推。
所有物理學理論都包含著兩個部分。一部分是理論的基本思想珊蟀，通常由數(shù)學方程表達菊值；另一部分則由這些方程的解組成。
一個理論的強耦合物理可以用另一個理論的弱耦合圖景來描繪系洛，這個重要的新結果叫強弱對偶性俊性。
黑洞可能本來就是巨大的基本粒子。
于是我們發(fā)現(xiàn)描扯，當卡-丘空間經過空間破裂錐形變換時，原來的大質量黑洞會越來越輕趟薄，最后轉化為一個沒有質量的粒子——如零質量的光子——在弦理論中绽诚，那不是別的，就是一根以某種特別方式振動的弦杭煎。這樣恩够，弦理論第一次明確地在黑洞和基本粒子間建立起了直接具體而且在定量上無懈可擊的聯(lián)系。
簡單地說羡铲，表示熵的數(shù)就是一個物理系統(tǒng)的組成元素在不影響整體表現(xiàn)情況下的所有可能組合方式的數(shù)量蜂桶。
當溫度降到幾千開時，洶涌的電子流慢慢流向原子核（多數(shù)是氫和氦）也切，原子核捕獲住它們扑媚，第一次形成電中性的原子。這是重要的一刻：大體上說雷恃，從這一時刻開始疆股，宇宙變得透明了。在電子捕獲這一幕之前倒槐，宇宙充滿了帶電的等離子體——有些帶正電旬痹，如原子核；有些帶負電讨越，如電子两残。只與帶電體發(fā)生相互作用的光子，落在深深的帶電粒子的汪洋里把跨，不停歇地碰撞擠壓人弓，要么被偏轉，要么被吸收节猿，幾乎穿越不了多少距離票从。因為帶電粒子的屏障作用漫雕，光子不能自由運動，所以宇宙幾乎完全是不透明的峰鄙，就像在經歷濃霧彌漫的早晨浸间，或者遮天蔽日的沙塵暴。但是吟榴，當帶負電的電子走進帶正電的核的軌道魁蒜，生成電中性的原子以后，帶電的屏障消失了吩翻，濃霧散開了兜看。從那時起，來自大爆炸的光子就無阻礙地漫游狭瞎，整個宇宙也慢慢清澈明亮了细移。
在宇宙的每個立方米——包括你占據的那個——大約有4億個光子，它們一起匯成宇宙微波輻射的汪洋熊锭，蕩漾著宇宙創(chuàng)生的回響弧轧。當電視臺沒有節(jié)目時，你看到熒屏上的那些“雪花”碗殷，有的就來自大爆炸遺留的暗淡微波精绎。理論與實驗的一致，證實了大爆炸之后（ATB）幾十萬年以來——光子第一次在宇宙自由穿行以來——宇宙演化的圖景锌妻。
詳細計算表明代乃，現(xiàn)在相隔遙遠的空間區(qū)域沒有辦法實現(xiàn)能量交換，從而解釋不了為什么它們會有相同的溫度仿粹。物理學家把這個解釋不了的宇宙大范圍的溫度均勻性問題稱為“視界問題”——視界在這里說的是我們能看多遠搁吓；或者也可以說，光能走多遠牍陌。
每個時代都有一個轉折點擎浴，都有一種新的認識和評判世界秩序的方法。