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,唯一的理论
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?
这甚至与爱因斯坦相抵触
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…
实实在在的一簇弦
大气是带电的
弦理论经历了自身的革命…
五种不同的弦理论…
揭示了物体的新形状
可能我们生活在三维的膜上
宇宙就像块面包
我们被困于属于更高维的宇宙上的某片
确实是个问题
现在就观察优雅的宇宙吧
NOVA主要靠PARK机构的资助
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
科学: 它给以无线电交流清晰的框架
Sprint很荣幸支持NOVA
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
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
假设我们能控制空间或控制时间
我们能做到的事将是令人惊讶的
我能够从这里…
到这里…
接着到这里,仅仅在刹那间
我们都认为这是不可能的
可能的确如此
然而这些年
我们对于空间真正本质的概念已经历了些变化
过去被认为像科幻小说里的东西也显得不那么牵强了
这多亏了叫做弦理论的物理学革命
它对宇宙内部的运作提供了一整套新的观点
弦理论给了我们承诺使我们了解
宇宙的最基层怎么会是现在这样
弦理论相当于物理界荒凉的西部
这是理论物理的新领域,与以往的截然不同
这全新的理论始于简单的假设:
即宇宙中的一切,地球,这些建筑
甚至是引力和电力这样的力量
由被称做弦的,极其微小并在震动的能量构成
尽管它们很小,却正改变着一切我们对宇宙的认识
尤其是我们对于空间本质的概念
想了解,让我们先把空间缩小到更容易应付的大小
假设整个宇宙只包含我的家乡-曼哈顿那么大
仅纽约市的一个区就拼成整块空间
开个玩笑, 也把自己想象成沃尔大街某个大组织的行政总裁
因为时间就是金钱, 我要找到离所居处最近的路线,
这儿在上曼哈顿,而我的办公室在下方
众所周知两点一线间距离最近.
就算不堵车,在我们对曼哈顿的一点印象里
仍需要段时间才能到那儿
走得快节约了时间
而因为没什么能比光更快,
我们能在旅途中节约的时间是有限的
这个曼哈顿宇宙符合古典守旧的空间观念
基本是平坦的一块,而且静态不变的
而当艾勃特.爱因斯坦看着这空间
他发现了截然不同的东西
他说空间并非静态的;它能弯曲和伸展
可能还有被称做虫洞的不寻常空间结构
虫洞是一座桥或一条隧道,连系起有一定距离的空间
事实上是宇宙捷径
在这样的宇宙,我的旅程将是纽约人的梦想
而还有个麻烦:
造一个虫洞,你得在空间开个洞或者撕裂
但空间真的能撕裂吗?
造虫洞的第一步确实可能吗?
当然,饿着肚子是回答不了的
来看看我的早餐:咖啡和甜甜圈
我们对于弦理论提出的空间能否被撕裂将有个更好的理解
假设空间形似这个甜甜圈
你会觉得它和形似咖啡杯的空间完全不同
但确切地说甜甜圈和咖啡杯的形状是相同的
只是有点伪装而已
你瞧,它们都有个洞
甜甜圈的在中央而咖啡杯的在杯柄上
那就是说我们能把甜甜圈变成咖啡杯的形状,再恢复回来
却不用撕裂或弄断甜甜圈
好,而假设你想把甜甜圈变成完全不同的形状,
一个没洞的形状
只能像这样弄断甜甜圈
再重塑它
不幸的是,根据爱因斯坦的定律,这是不可能的
他们说空间能伸展和弯曲,但无法撕裂
虫洞在某处早已完全形成,
但你无法在曼哈顿或其他地方,撕裂空间而去造一个新的
换句话说,我无法带着虫洞工作
如今弦理论给了我们空间的全新观点,
显示爱因斯坦并非永远是对的
想了解,让我们近距离观察空间的结构
如果我们能缩得很小很小
我们将进入量子力学的世界
那是规定原子活动的定律
这是光和电的世界,所有在最微观层次的运作
这儿,空间是混乱无规则的
裂口和破洞随处可见
如果那样,
为什么不会使空间撕裂演变成一场宇宙大灾难呢?
这就是弦的力量所在
弦平复了混乱
当一簇弦穿越空间,会扫出一条管道
管道会像泡沫一样保卫着裂口,
这层保护的盾意义很大
弦令空间撕裂成为可能
也意味着空间比爱因斯坦想象的还要有活力,会变化
那是否意味着虫洞是可能的呢?
我是否能在珠穆朗玛峰闲逛后,
在巴黎吃个长面包
却仍赶得及纽约的早会呢?
那蛮不错的,尽管可能性很小
但可以肯定的是
弦理论向我们显示宇宙比我们所想象的要奇异得多
比方说,弦理论认为我们被隐藏的维包围着,
超越我们熟悉的三维空间的神秘的地方
提出有更多维空间的人, 被标为
疯子.什么?你认为有更多维的空间?
是的,弦理论的确这样预测
我们心中的宇宙仅仅是更大的系统中很小的部分
也许我们生活在一层膜上,
一层悬在更高维空间的三维的膜
还有完整的世界与我们相邻,却完全看不见
这些另外的世界,是平行的宇宙
这并非一个奇怪的观点
难怪物理学学生都在向弦理论的奇异世界探索
弦理论很活跃,正在发生着
很多人从事其中
很高比率的年青人被给予了这个机会,
他们将深入弦理论
而弦理论并非一直那么受欢迎
弦理论的倡导者奋斗了许多年
独自钻研这个无人相信的概念
大致如此:
几十年来,物理学家相信构成原子的最小物质是点粒子
外部运转的是电子,
里面是由夸克组成的质子和中子
弦理论认为不可分割的粒子事实上是微小的,
震动的弦
这不怎么神秘,它只是微小的弦
它或是接近环状,或是有端口的尖形,但不过是小的弦
1980年代,这个概念发展起来,
人们争相搭上弦的列车
事实上突然这么多人从事这个领域,有利也有弊
看到这个课题发展迅速十分令人高兴,
因为那么多人从事了它
弦最大吸引力之一在与它们的多样性
正如大提琴上的弦能以不同的频率震动,
奏出独立的音符,
同样的,弦理论中小的弦以不同的形式震动和舞动,
创造出自然界最基本的粒子
如果这个观点正确,
把弦合起来,会奏出宏伟优美的交响乐,即我们的宇宙
真正令人兴奋的是它提供了难得的可能
要是我们能掌握弦的节奏,
就有更好的机会解释自然界中所有的物质和力量,
从最微小的原子粒子到外太空的星系
这是弦理论的潜能, 成为万有理论的统一
但一眼看去,我们对此的热忱似乎过分了
因为我们不仅推出一套弦理论,甚至两套
我们竟然得到五套
五套不同的弦理论,各自竞争着万有理论的头衔
如果要成为自然界最基本的理论,只能得出一套
我想有一批弦学家认为,这太棒了
也许其中一套将成为世界真正的理论
尽管如此,脑海里一定会有个声音在说,
为什么会有五套?
五个竞争者,弦理论的舞台显得有些拥挤
这五套理论有许多相同之处
比方说,它们都涉及震动的弦,
但显出来的数学上的细节却各不相同
坦白说,这很尴尬
怎么万有理论会有五种不同的风格呢?
这是多显得少的例子
接着一些引人注意的出现了
这是威登
他是公认的杰出的物理学家,
甚至爱因斯坦的接班人
威登是这领域的奇人
他特别在数学原理方面精通,
远远超越他人
我们都自命不凡,但他比我们聪明得多
1995年,
世界各地的弦学家聚集在南加州大学召开年会
威登出席了并震惊了世界
我努力思索着关于这个场合的重要的话题
事实上,因为五套弦理论太多了,我想我得去处一些
解决这个问题, 威登构筑新的角度来看待弦理论
他宣布他思考了这问题,而且解决了
他将告诉我们每一维里每套弦理论的解答.
这口气很大,但出自他并不奇怪
那气氛如触电般,突然间,
弦理论, 在经历了萧条之后,
像被注了针一样活跃了
威登发表了著名的演说
他说的一些词让我很感兴趣…
对于他剩下的演说,我只是记得他首先讲的几个词,
完全错过了他演说的要点
我记得我将接着他演讲, 当时甚至有些尴尬
威登使大家都呆了
他令大家呆住,因为他以全新的观点看待弦理论
从这个角度,我们发现其实并非有五套理论
就像镜子里的反射,
我们认为的五套理论无非是从五个不同角度看待同一事
弦理论最终统一了
威登的研究是一个突破,它的革命性令它有另一个名字,
M理论, 尽管没人知道M代表什么
哈,M代表什么?
M理论
M理论是个理论…
我也不确定M的意义
嗯,M可能…
我听过很多形容
神秘的理论,奇异的理论…
母理论
模理论
畸形的理论?
我不明白他的意思
从意味上,它代表神秘的,奇异的,发源的
我怀疑M是因为W倒着写,由于威登
偶尔有人觉得M代表阴暗
因为我们对它的认识水平还是很粗糙的
也许我该告诉你
无论叫什么,它总是一鸣惊人的
突然一切都变了
人们意识到有许多大事发生,许多恐慌,
但我们都不愿落后于这场弦理论的革命
威登演说之后,
这就是解释宇宙万物的理论的希望重燃了
但要付出代价
在M理论之前, 弦似乎在十维世界里运作
包括时间的一维和人们熟知的三维空间,
其他还有六维, 弯曲得很小几乎看不到
我们认为其他维存在,是因为通过弦理论的推算
弦不仅在三维空间活动
这令令大家震惊,我们也试着接受了
但M理论将走得更远,
需要更多维的空间,
总共到达十一维
我们了解有11维这套理论是合情合理的
所以一定要11维,但我们只看到3维加另一维
怎么可能呢?
大多数人无法想象额外更高的维:
我不行
不足为奇
我们的大脑演化到只能感受三维的空间
那我们怎么感到其他的呢?
有个方法,去看电影
我们熟悉三维的世界
无论去哪儿,我可以左右上下,前后移动
但电影中一切有所不同
尽管屏幕中的角色看起来是三维的,
其实它们仅困在二维空间
电影屏幕没有前后之分, 那仅是视觉上的错觉
要活动于前后维,只有走出屏幕
有时进入更高维是很有用的
维与你活动的独立方向有关
有时被叫做自由度
拥有更多的维和自由度,我们能做到更多
没错
如果真有11维, 弦也能做更多
人们发现处于理论中的物体, 不只是弦,
比弦要大.它们像膜或表层
威登所新加的维,另弦伸展到像薄膜一般,
简称膜
膜可以是三维或更多
有足够能量,膜可以长到很大,
可能像宇宙那么大
这是弦理论的革命
弦理论越来越奇怪
现在不仅有弦还有膜
人们继续称之为弦理论, 但是弦学家不确定这以弦为本
巨型的膜和额外维的出现开启了出人意料的可能,
就是我们的宇宙处于膜上, 在更大更高维的空间里
几乎像我们生活在块面包里?
我们的宇宙像一片面包,
仅仅一片, 属于物理学家称之为块的更大的面包
如果这观点正确, 面包还有其他片, 其他的宇宙,
正与我们相邻, 事实上, 平行的宇宙
我们的宇宙不仅没什么特别, 我们还有很多邻居
有些跟我们的宇宙相似,
可能有物质和行星,说不定还有某种生物
其他宇宙肯定奇怪得多
它们可能被截然不同的物理定律约束着
这些另外的宇宙会存在与M理论的额外维里,
即在我们周围的维
有人甚至说它们距离我们不足一毫米
如果是真的,怎么会看不到碰不到呢?
如果有膜处于高维的空间里,粒子,原子不能脱离这膜,
就像伸手碰不到任何东西
这就好像在宇宙的另一端
这是个很厉害的概念,如果正确的话
意味着我们对宇宙的整个视野受制于我们被困在一个薄片
在更高维的宇宙里
这是个厉害的概念, 特别由于它帮助解决了现代科学的一个疑问
这与引力有关
已经300多年了
自从牛顿的万有引力定律面世, 启发他的故事,
是看见一个从树上掉下的苹果
如今,引力显然是个强大的力量
人们大都觉得引力是很重要的力量, 力量很强
早上起床很难, 站起来难, 因为引力强东西掉下去会碎
但原来引力并不强
其实它是很微弱的力量
引力使我们贴着地球, 令地球沿轨道绕太阳旋转
事实上,我们一直都在征服引力
这不难
即使以整个地球的引力拉着这苹果,
我一手的力量就轻易克服了它
不仅我们的肌肉可以战胜引力
磁铁也可以轻易做到
磁铁带着另一种力, 电磁力
那就是光和电背后的力
原来电磁力比引力强得多
引力,相比之下,弱得多
有多弱?
电磁力强很多很多很多
1后面有39个零
引力之弱困惑了科学家数十年
如今,有了弦理论的新世界,
含有膜和额外的维,
就有了全新的方法来研究这问题
其中一个方法解答为什么引力比其他力弱得多
就是完全推翻它, 然后说,不,引力并不弱
与其他力相比,它只是显得比较弱.
也许引力和电磁力同样强,
但不知为什么我们感受不到它的力量
想一张很大的桌球台
它的表面代表我们的三维宇宙
尽管桌只有二维,
把桌球想成原子
或构成宇宙的其他粒子
有这样的狂想:
构成我们周遭世界的原子和粒子会留在特殊的膜上,
我们这片宇宙就像桌球停留在桌面上
除非你球技很差
而每当球碰撞,总有什么释放到桌子外,
声波.所以我们会听到撞击声
这想法是引力很声波一样, 并不局限于我们的膜上
它也许脱离我们所在的宇宙
再换个想法
不用桌球台,回到面包思考
假设我们的宇宙像这块烤面包
你和我,一切物质,光本身, 我们见到的一切
就像果酱
果酱能在烤面包的表面自由活动,
但它是紧贴在烤面包表面的
而如果引力不是那样呢?
如果引力更像肉桂和糖呢?
这层东西一点也不粘, 因此很容易滑出表面
但为什么引力跟我们在宇宙周所知的一切如此不同呢?
原来弦理论或M理论给了答案
一切与形状有关
多年来, 我们关注环壮的弦, 好像橡皮圈
随着M理论,我们把注意力放到其他形状
我们认为周围的一切,
像物质和光, 是由开口的弦构成的,
弦的端口系在我们的三维膜上
确实有环状的弦,
其中一种有关引力
叫做引力子
环状的弦没有端口系在膜上,
引力子很容易进出其他维,
减弱了引力的强度,从而使它显得比其他自然力弱
这说明了个有意思的可能
如果我们生活在膜上,我们边上真的有平行宇宙和其他膜,
我们看不见,有一天却能通过引力感受到
如果其他膜上有智慧生物,
他们会很靠近我们
纯理论上说,
我们将通过强引力波的交换跟他们交流
谁知道呢?
或者某天我们有技术,利用引力波与其他世界交流
哈哈
嗨,这是布来恩,你在干嘛?
不要叫我…
我们不了解平行宇宙对我们真正的影响
而有个有争议的观点, 说是它们已经扮演了重要角色
事实上,给予了它们存在的相信
根据传统说法,
如今广阔的宇宙曾一度十分渺小,难以想象的小
后来突然变大了
透过惊人的大爆炸而变大了
大爆炸令空间扩张了
接下来一连串的事件构成了如今的宇宙
但大爆炸理论还存在一些疑问
首先,
当你把整个宇宙压缩到无限小,但密度却惊人得高,
物理定律都理所当然崩溃了
它们变得不再有意义
我们的方程式开始给出荒谬的答案
灾难出现了
一切都崩溃了,我们一筹莫展
除此之外,爆炸本身也有问题
到底是什么呢?
那的确是个问题
传统的大爆炸理论没有提过什么爆炸,
爆炸前发生了什么,什么引发了爆炸
改良的大爆炸理论确实对大爆炸提供了解释,
而没有一套可以完全从头说起
很多人抱着天真的想法那一定有个开始
空间和时间不知怎的从无到有
我不知道你怎么觉得, 但我不喜欢没有
我真的相信宇宙由大爆炸从无变有吗?
我并非哲学家,所以我不会答
我可以想象哲学家会认为有问题
但作为物理学家也会觉得有问题
大家都认为有问题
问题是弦理论是否能解决吗?
有些弦学家提出大爆炸并非是起点,
宇宙也许早已恒久存在着
并非所有人认同这个观点
我认为说宇宙没有开始真的很没意思
没有开始的宇宙显得是没有解释的宇宙
那解释是什么?
要是弦理论是对的,
那我们住在更高维的巨型膜上?
有个特别吸引我的弦理论的想法
提出了宇宙学的新方向,
膜和膜在额外的维内活动
有些科学家提出解答
大爆炸之迷基于在这些巨型膜的活动
说来简单
这儿是我们居住的膜,这边是悬在更高维的膜
不难想象它们会互相碰撞
根据这个想法, 大爆炸前,
两片有平行宇宙的膜开始靠近,
直至…
如此大的能量一定有所去向
去了哪儿呢?
大爆炸
创造了我们所见的膨胀,
宇宙中的粒子在大团高温物质下变热
如果这还不够离奇, 鼓吹这观点的人还有其他说法:
大爆炸并非特别
他们认为平行的宇宙过去不只一次碰撞,
而一次又一次
将来可能还会碰撞
如果真的这样, 现在可能还有一片膜,
正过来与我们的宇宙相撞
因此另一次撞击将到来, 将有另一个大爆炸
将来也会一再重复发生
这是个有趣的想法
不幸的是,有技术上的问题
这是由弦理论得来的新奇构想
然而老问题还在
我们不清楚两片膜相撞发生了什么
可以考虑大爆炸同样的情形;
方程式并不合理
他们对模型做了很多假设,
但我觉得弦理论没有真正解决大爆炸的问题
如果弦理论是宇宙的真理,
它必须解决大爆炸之迷
人们对弦理论的成功充满希望
但目前还有很多不确定
理论充满希望,令人兴奋, 我们并不完全了解它
就像我们漆黑中跌跌撞撞进入个房子, 以为只有两间房
却发现至少有19个
也许有成千的房间, 探索才刚刚开始
我们有多确定宇宙就像弦理论描述的那样?
世界是否真的由弦,膜,
平行宇宙还有额外的维构成?
这是科学还是科幻小说?
我们研究方程式时总是问自己
这只是花俏的数学,还是现实的描述?
这训练了我们数学的想象力,
最终回答这样一个问题:
是在实验室里吗?能找到证明吗?
弦理论和弦学家都有这样的问题
如何验证弦理论呢?
如果无法用一般验明理论的方法检测它,
它不是科学,只是哲学,真是个问题
弦很小,比原子还要小得多.
没法直接看得到
即使我们永远看不到弦, 我们有一天可以看到它的指纹
如果弦存在于宇宙产生时, 一切都很微小的时候,
它们会留下印记和痕迹
接着大爆炸,万物膨胀起来,
这些痕迹也随着万物一起伸展
如果是真的,
我们某一天会在星空中看到弦的痕迹
就算地球上有找到弦的证据的可能
这儿提供了这些研究的中心
事实上,真正的工作是探究支持弦理论的证据,
包括额外的维
很多年前, 谈及更大维的人被看作疯子,
被看得很轻
多亏弦理论,一切都变了
这是费米实验室,
目前有最大的希望证明额外维的存在
费米实验室有个很大的原子仪
工作原理是这样:
科学家用大量电力射击氢原子
接着剥去它们的电子层
把质子射入地下的四米的原形轨道
当它们接近光速,
它们跟反方向来的粒子相撞
大都碰撞只是擦肩而过,
偶尔会有正面撞击
结果爆发不寻常的原子粒子
希望粒子包含着微小的引力单位,引力子
引力子,又弦理论来说,是环状的,
所以它们能浮到额外的维
大奖是拍到引力子刹那间逃离的时候
接着引力子进入额外的维, 探测器测到它的消失
它的消失
很遗憾,费米实验室还未发现消失的引力子
压力变大,另一队正赶上
4000米外,法国和瑞典的接壤处,
CERN实验室正在研究新型巨大的原子仪
完成后将比费米实验室强7倍
现在有分秒必争的紧迫感,
而最终CERN实验室将取得成功
CERN会击败费米 ,
在额外维的研究和奇思异想上
两个实验室的主要任务是追踪叫做的超对称性的东西
那是弦理论的核心预测
简单说,我们熟悉的每一亚原子粒子,
如电子,光子,引力子,
有很多叫做超粒子的搭档
至今没人见过
由于弦理论称超粒子存在,找到它们是当务之急.
找到超对称性是极大的发现
惊天动地的发现,我认为这比在火星上发现生物更伟大
如果我们明天听到发现超对称性,
地球上定会有人开派对庆祝
问题是,如果它们存在,
超对称的超粒子会极其重,
重到无法被现今的原子器探测到
CERN找到的机会最大,
新仪器要多年才能用,
但这阻止不了费米实验室的专家率先发现它们
他们的竞争既友好又激烈
我们就像饿狗一般竞争
向来那样,以后也如此
我们得小心不犯错,
尽力做好实验
充分把握发现的黄金机会
如果我们找到超粒子,也不能证明弦理论,
但也是很强的环境依据来证明我们的方向是正确的
以后的10到20年,
新一代的原子仪定能发现惊人的宇宙的自然现象
但是不是弦理论预测的宇宙呢?
如果找不到超粒子?
和额外的维呢?
如果找不到证据证实这个新的古怪宇宙
是由膜和微小的弦构成的呢?
难道弦理论最终是错的?
对,逻辑上有这可能
我们浪费了过去20年的时间而理论竟是完全错的
过去一段时间里所有的聪明能人,
有本事的人,研究同一理论,往同一方向发展,
尽管他们赞赏这理论,最终却走进了死胡同
弦理论也会如此
虽未找到证据,
弦理论的很多东西都合情合理
很多人相信它一定是对的
从未有一套理论在数学上如此吸引,
到最后证明是错的
很难去相信那么优雅具有数学美的理论是白费的
我不知离终点距离多近
我们是不是几乎要完成所有了呢?
是否还要再过个10年?
没人知道
我想会让我忙上一阵子
我们已经十分幸运了
自然让我们揭开了许多基本神秘的真相
我们可以推向多远?
不尝试是不会知道的
一个世纪前,
一些科学家认为他们已经掌握自然界的基本规律
后来爱因斯坦出现戏剧般的改变了我们对空间,时间和引力的概念
量子力学揭开了原子和分子的内部运作,
展现了一个古怪的,难琢磨的世界
因此,我们还没弄清楚,
20世纪告诉我们每次仔细观看宇宙,
我们会发现另一个出人意料的现实
进入21世纪,
我们开始察觉另一个现实:
震动的弦,超粒子,平行宇宙,和额外的维
令人震惊的现象,
再过些年,实验会告诉我们某些观点的对和错
无论结果如何,我们还在继续前进,
因为这就是我们该做的
随着我们的好奇心探究未知的一切
100或1000年后,
如今的宇宙观也许会完全颠覆,甚至是古老的
无可否认,弦理论的构想是人类伟大创意的证明
它给了远古问题全新的观点和可能
使我们全面探究了解这优雅的宇宙
在NOVA的网页,跟随布来恩.格雷尼观赏
开始原子内世界的旅程,
感受弦,其他维等等
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