現在,在NOVA
進入一個比科幻小說更加奇異的世界
那裡打破常規
那兒有對宇宙的全新觀點,把你帶到一個超越想像的新世界
這就是弦理論的世界
是形容各種力量,從原子到地球所有物質的一種途徑
直至星系的終結
從時間的產生到終結,單一的理論
萬物的理論
引領我們到這新世界的嚮導是布來恩.格雷尼
暢銷作家和物理學家
無論我來這兒幾次
卻總無法適應
他能幫我們解決這個現代物理學最大的疑問嗎
我們對宇宙的理解基於兩套定律
不認同嗎?
甚至與愛因斯坦相違背
他做了最終的探究
幾十年後,我們幾乎找到了突破口
解決之道是弦
小塊的能量就像在大提琴上震動的弦
位於現實核心的宇宙交響樂
它是要有代價的: 平行宇宙和11維
大都你未見過
我們確實生活在一個比肉眼所見更多維的宇宙中
認為空間有額外維的人一度被看作瘋子
或者神經錯亂的人
科學和數學的幻想或者獨一無二的萬有理論?
如果弦理論無法提供可檢測的預計
沒人會相信它
是物理學的理論還是哲學的?
能確定的是弦理論已告訴我們
宇宙比我們想像的奇異得多
出現在今夜…
始於一個蘋果
牛頓方程式的成功來字對行星,恆星的探究
走了很長一段路
愛因斯坦賦予了關於引力的全新觀點
當他中斷時
弦學家才敢繼續下去
但他們離愛因斯坦的夢有多遠呢?
現在就觀察優雅的宇宙吧
NOVA主要靠PARK機構的資助
科學: 它給以無線電交流清晰的框架
Sprint很榮幸支持NOVA
三年裡有400個僱員
在微軟, 你們的潛能鼓舞我們創出更多軟件
你們的潛能,我們的熱情
Alfred P. Sloan 機構提供優雅的宇宙以資金支持,
增強人們對科學技術的認識
通過國際科學機構,美國在未來的投資
附加的資金由美國Volkswagen提供
還有喬治.D.史密斯
促進科學和安全
也由公共廣播組織提供,
還有你們這樣的來訪者. 很感謝
五十年前
這房子出現了現代科學最大的迷團之一
如此深奧的迷團,令無數位於物理學尖端的科學家
竭力尋求解決之道
艾伯特愛因斯坦將他最後20年在這位於新澤西普林斯頓的房子裡度過
在他二樓的書房裡
愛因斯坦鍥而不捨地探求一個能概括宇宙一切活動的單一的理論
即使到臨終時
愛因斯坦仍緊拿著筆記
竭力想出一套後來被人們所知的方程式
就是萬有理論
相信他已到達科學史上最重要發現的邊緣
愛因斯坦耗盡了時間
未能圓夢
半個世紀以後的今天
愛因斯坦那個統一所有宇宙定律的目標
包羅萬象的理論
成了現代物理學的聖盃
我們覺得幾乎完成了愛因斯坦的夢
因為這個叫做弦理論的全新概念
而如果這套革命性的理論是正確的
我們震驚了
弦理論說我們活在一個
現實與科幻交融的宇宙中
有11維的宇宙
周圍還有平行宇宙
由整個音樂的弦構成的優雅宇宙
但有著它的野心
弦理論的基本概念出奇得簡單
它說宇宙裡的一切
從微小的粒子到到最遠的星宿都由一種成分構成
小得出奇的,不斷震動的,叫做弦的能量
正如大提琴上的弦能奏出豐富的音符
弦理論的小弦以不同的方式震動
構成了自然界的一切
換言之
宇宙像大型的宇宙交響樂迴響著
這些震動的能量奏出的各種各樣的音符
弦理論還在初步
但它已呈現了宇宙全新的面貌
奇異又美麗的
但我們憑什麼認為瞭解了宇宙的一切錯綜複雜
把它歸為單一的萬有理論?
我們有 R mu nu,- 0.5g mu nu R
你記得嗎?等於8 Pi G T mu nu…
來自調整愛因斯坦-修伯特作用量,得出方程式和這個
記得這個叫什麼嗎?
不,那是scalar curvature
這是ricci tensor
你都學了嗎?
不管怎麼努力
都無法教狗物理
它們的大腦無法掌握
那我們呢?
我們能領會這最高深的宇宙定律嗎?
如今的物理學家很自信我們可以
我們接手了愛因斯坦留下的對大統一的追求
大統一用公式表示定律,描述了
已知的宇宙萬物,以一個單一的概念
一個精準的方程式
我們認為的確有這樣的方程式
因為過去的200年
我們對於宇宙的認識所給予的解釋,最終都卻不禁相同
它們似乎都向我們在找的單一概念匯聚
大統一是目標
大同一是我們的追求
基本物理學的目標看到世界越來越多的現象
以更少更精簡的原理
作為物理學家,我們覺得,如果我們用簡單的方法解釋各種現象
那才是進步
在情感上認為是
偉大的物理學理論,應包含各種截然不同的物理現象
因此要統一我們的認識是自然而然的
是這科學進展的根本
遠在愛因斯坦之前
尋求大統一適於科學史上一個有名的意外
事情在1665年
一個年輕人坐在樹下,突然
他看見個蘋果從樹上掉下
由於蘋果的掉落
牛頓革新了我們的宇宙觀
他那個大膽的構想
牛頓聲稱令蘋果掉落的力
和令月球繞地球旋轉的力是相同的
一個掉落事件
牛頓把天地間統一為一個稱作引力的單一理論
天上和地下的統一
相同的定律主宰了天體的運行,主宰了潮汐,還有果實的掉落
它是我們自然觀奇妙的統一
引力是經科學認可的第一種力
儘管最終發現了另外3個
儘管牛頓發現引力定律已300年了
他描述這種力的方程式,做出了我們如今還能用到的精準預測
事實上科學家們只需要牛頓定律去計劃火箭發射
把人送上月球
不過,有個問題
當他的理論精準地描述引力的強度
牛頓隱藏了個尷尬的秘密:
他並不瞭解引力實際運作
近250年
科學家們迴避這個迷團
而1900初
一個在瑞士專利局工作的普通文員改變了一切
審核專利申請時
愛因斯坦還在思索光的特性
愛因斯坦沒料到他對光的思索,會引領他去解決牛頓引力之迷
26歲時
愛因斯坦有驚人的發現:
光速是一種宇宙速度的極限
沒有什麼能超越的速度
但他發表這觀點不久
他發現在跟引力之父對抗
問題是
一切都無法超越光速的概念與牛頓引力的觀點不符
瞭解這矛盾
我們來做個實驗
首先製造一個宇宙災難
假設突然,毫無預兆的
太陽完全蒸發消失了
來重播這災難,來看看由牛頓所說的對行星的影響
牛頓理論預計太陽的毀滅
行星立即會脫離軌道飛向太空
換言之
牛頓認為無論距離多近,引力都會產生作用
因此我們立即感到太陽毀滅的影響
但愛因斯坦看到牛頓理論中的一個大問題
問題來自他對光的研究
他知道光並非瞬間傳送的
事實上,光需要8分鐘從太陽經9千3百萬里到達地球
他指出一切,包括引力,都無法超越光速
地球怎麼能脫離軌道
在太陽毀滅之後黑暗出現之前讓我們看見呢?
瑞士專利局這個後起之秀認為沒有什麼能超越光速
意味著250年來牛頓引力論是錯的
如果牛頓錯了,那麼行星怎麼存在的?
別忘了,牛頓定律的成功
來自對星體瞭解的探索
尤其行星軌道如何形成的問題
以牛頓的方程式能計算行星的運動
愛因斯坦定會破解難題
接近30歲時
愛因斯坦思索新的宇宙觀
引力也不超越宇宙的極速
白天仍在專利局工作的他
獨自走上破解迷團的路
經過近10年的苦苦思索,他終於以新的統一理論找到了答案
他想到宇宙的三維空間
與時間的單一維構成一片時空
他希望瞭解這四維時空的幾何原理
從而描述物體在這空間表面的運動
就像蹦床的表面
這一體的結構會被像行星,恆星之類的重物扭曲或拉伸
正是時空的扭曲或拉伸造成我們感到的引力
地球等恆星繞軌道運行
並非如牛頓理論所說的,被太陽的力量及時拉住
只是隨著太陽在時空面上造成的曲線
憑這對引力的新理解
讓我們再重演次宇宙災難
讓我們看這次太陽消失的情況
引力的動盪導致
波沿著時空面擴散
就像把石頭扔到水裡引起的漣漪
所以波沒到達地球之前,環繞地球的軌道是不變的
再有
愛因斯坦計算到引力微波的速度等同與光速
以這新的概念
愛因斯坦解釋了在引力速度方面與牛頓的矛盾
還有
愛因斯坦向人們揭示了引力的真貌:
就是時空面的彎曲和扭曲
愛因斯坦稱之為廣義相對論
沒幾年愛因斯坦就家喻戶曉了
愛因斯坦像當時的搖滾明星
他是當時最廣為人知的人物
他和卓別林當時最為聲名顯赫
人們關注他的研究
他們殷切期待,由於他那傑出的廣義相對論
引力定律在他腦中重塑
希望他能再接再厲
人們希望追求熱潮
愛因斯坦並不滿足於他的成就
他很快放眼於更高的目標
將當時已知的另一種力歸納到他的引力新理論中
即電磁力
電磁力的統一不過幾十年
19世紀中期,電力和磁力
激起了科學家們的興趣
這兩種力有共同的神奇關係
摩思這樣的發明家很好地利用了這點
比如說電報
電脈透過電線傳到幾千里外的磁石
產生熟悉的摩思密碼的點和線
把訊息瞬間傳到大陸的彼岸
儘管電報引起了轟動
它蘊涵的基本科學原理還是個迷
而對於蘇格蘭科學家麥克斯威爾
電與磁的關係
十分明顯,需要統一
如果你曾在暴風雨中到達山頂
就會領悟到引力和磁力的密切關係
當一串電粒子流過
如一束電光,就產生了磁場
你能在指南針上得到證實
被這種關係吸引了
這蘇格蘭人決定解釋這種
電和磁的關係,通過數學語言
突破性的
麥克斯威爾以四組數學方程
將電和磁總結為一種電磁力.
就像前輩牛頓一樣
麥克斯威爾的統一理論帶領科學界在探索宇宙奧秘方面更進一步
真是了不起,不同的現象真的聯繫起來
是不同的現象源於單一的根本單位或單一根本原理的又一個例證
想像一切你認為
與電磁有關的事物
都可用4組簡單方程寫下來
那不可思議嗎?我覺得很優雅
愛因斯坦認為這是物理學的偉大成就
非常崇敬麥克斯威爾
麥克斯威爾統一電磁50年以後
愛因斯坦滿懷信心,認為把新引力理論和麥克斯威爾的電磁學統一起來
能得出一組描述萬物的總方程
描述整個宇宙
愛因斯坦深信
宇宙有個全面,優美的運作模式
問他為什麼如此關注大統一?
答案很簡單,因為愛因斯坦是那樣
想瞭解上帝思維的物理學家
即整個宇宙
如今這是弦理論的目標:
要統一瞭解的一切
從宇宙誕生到星系漩渦,以一套原理
一組方程式
牛頓以引力定律統一了天地
麥克斯威爾統一了電磁
愛因斯坦推測,要建立萬有理論
一套包含所有宇宙定律的理論
就要把新引力論和電磁理論結合起來
他確實有這動機
其一也許是美學,或追求簡潔
另一點可能是由於那物理事實,引力的速度和光速相等
如果它們速度相等
顯示它們隱藏著的是相對的
當愛因斯坦著手統一引力和電磁力
會發現兩種力強弱懸殊,超出了它們的相同點
讓我解釋一下
我們以為引力很強大
畢竟這種力使我現在很穩地站在這邊緣上
但與電磁力相比,實在微不足道
事實上,有個小測試能證明
假設我往外跳下這高樓
其實,不用假設,做也行,你就會明白我的意思
當然,我該是血肉模糊的了
重要的問題是:
是什麼阻止我穿過人行道掉入地心裡去?
聽起來很奇怪,答案就是磁力
看見的一切,包括你,我,人行道
由叫做原子的微小物質構成
每個原子外層都帶負電荷
所以當我的原子與水泥的原子相撞
電荷互相排斥,力量之大
使一小片人行道就能抗拒整個地球的引力,阻止我再往下掉
事實上電磁力要比引力強幾十億倍
似乎很奇怪,因為引力使我們貼著地球
使地球繞著太陽
但事實上
它之所以如此,因為它對物質聚合的龐大物體產生作用
像你,我,地球,太陽
而在獨立原子的層面上,引力難以置信得微弱
愛因斯坦將面臨很大的挑戰,想要統一這兩種強弱懸殊的力的話
更糟的是
他剛開始不久,物理學界起了翻天覆地的變化,使他落後了
直到1920年,愛因斯坦成就卓越
他理所當然希望自己能更進一步,玩這樣的理論遊戲,
取得更高的成就.而他不能
1920,1930年代,大自然顯示了其另一面
令愛因斯坦大獲成功的特殊技巧和工具
變得毫無用處
1920年代,一群年輕的科學家搶去了愛因斯坦的光芒
當他們找到古怪的新物理方法
他們的宇宙觀非常奇怪
科幻小說也顯得遜色
令愛因斯坦探索的大統一顛倒過來
以丹麥物理學家玻爾為首
這些科學家發現了宇宙的全新領域
原子曾被看作自然界最小的組成部分
發現是由更小的粒子組成:
眾所周知的原子核包括質子,中子和環繞它運行的電子
愛因斯坦和麥克斯威爾的理論無法
解釋這些細微物質在原子中奇異的相互作用
如何說明這一切在當時是個謎團
如何說明原子核會怎樣
在以不同方式分裂原子的時候
過去的理論已無法承擔解釋的任務
引力太弱,微不足道
電磁力不怎麼充足
沒有解釋這奇異世界的理論
科學家們迷失在這陌生的原子領域
找尋可辨認的地標
1920年代末,一切改變了
在這些年裡
物理學家開發了一套量子力學理論
它成功描述了微觀領域
而有一點:
量子力學這新理論完全粉碎了過去的宇宙觀
愛因斯坦認為的宇宙是規則的,有跡可尋的
而玻爾不認同
他和他的夥伴聲稱在原子和粒子的層面
是個隨機的世界
在原子和量子層面,變化無常才是主宰的
根據量子力學,你最多只能
預測產生某種結果的機率
這奇怪的觀點打開了通往另人不安的新現實觀的大門
如此令人不安
在日常生活中發覺量子力學的奇異特徵
正如在這量子咖啡店
你覺得自己可能瘋了
量子世界的定律與我們習慣的定律截然不同
我們日常經歷的與量子力學世界所見的,也大不相同
量子力學世界是瘋狂的.這是最貼切的說法:
這是個瘋狂世界
近80年了,量子力學成功說明了陌生奇異
是宇宙微觀的真實情況
在日常生活層面上
我們不會感受到量子力學的怪異
而在量子力學咖啡店,日常的大事物顯得極其微小
不管來幾次
仍不習慣
我想要杯橙汁
我試試
她說試試.
量子咖啡室的人們不指定要什麼
因為這兒一切是隨機的
我想要橙汁,只有一些機會我可能得到
得到其他的結果,不需要失望
因為量子力學解釋
得到黃色果汁和紅色果汁都有可能
只是發生在平行的宇宙裡
跟我們一樣真實的宇宙
如果有1000個可能,量子力學無法確定哪個發生
1000個都偶可能
你可以嘲笑地說
那是錯的
物理學新理論,許多在剛推出時都被認為是錯的
事實卻對的
說那是錯的之前,要小心點
即使在我們的宇宙
量子力學認為仍有可能
發生我們平常認為不可能的事
比方說,粒子有可能穿越牆壁和其他障礙
我們認為不可穿越的
我甚至有機會穿過一道牆
量子的計算的確顯示在日常世界中
機會很渺茫,我要不斷撞向牆
才有可能成功
而這裡,這種事常發生
你需要去學習去除對世界的假設
才能領會量子力學
直覺上
我深入理解了量子力學了嗎?不
愛因斯坦也不
他深信宇宙是確定的,可預測的
我們只能計算
事情發生的可能
這是愛因斯坦所抗拒的
量子力學認為不能確定任何實驗的結果
只能指出實驗結果有多少機會發生
愛因斯坦很反對這個.他常說
神不會仍骰子
而一再的實驗證明愛因斯坦錯了
量子力學確實可以解釋亞原子世界的運作
因此量子力學並非奢侈品
可有可無
為什麼水是這樣?
為什麼光能直射水中?
為什麼是透明的?而其他卻不是?
分子怎麼形成? 為什麼會這樣反應?
當你想瞭解原子層面的東西時
非直覺的
那只能用量子力學
量子力學十分精確
量子力學的預測從未出現矛盾
從沒有
到1930年代,愛因斯坦對大統一的探求遇到阻礙
而量子力學解開了原子的奧秘
科學家發現引力和電磁力不是主宰宇宙的僅有力量
研究原子結構後
發現兩種力量
其一是強核力
像膠水一樣,扣住每一個原子核
綁住質子和中子
另一種叫弱核力
讓中子變成質子,釋放輻射
在量子層面,我們最熟悉的力量,引力
完全被電磁力和這兩種新力量蓋過去
強核力和弱核力也許不明顯
但至少有個例子感受它的力量
1945年7月16日早上5點29分
這種力量爆發,改寫了歷史
在新墨西哥沙漠中心
在高於這紀念碑100尺的塔頂
第一顆原子彈爆發了
它只有5尺寬
但其威力等同於兩萬噸炸藥
這次爆炸
科學家釋放了強核力
那是令原子核內質子和中子連在一起的能量
打破這種力量,分裂原子
會釋放難以想像的毀滅性力量
我們仍能用另一種核力探測到那次爆炸的痕跡
就是弱核力
因為弱核力釋放輻射
50年後的今天
這一帶的輻射水平仍比正常高出10倍
因而跟電磁力和引力比較
核力在微小層面起作用
對日常工作影響很大
那麼引力呢?
愛因斯坦的廣義相對論?
在量子層面處於什麼位置?
量子力學告訴我們所有力量在微觀世界的運作
就除了引力
每人可以指出引力如何運作
當你進入原子和亞原子的規模
就是說,沒人能指出
如何講廣義相對論和量子力學合二為一
幾十年來,
嘗試以描述其他力量的方式來解釋引力
量子力學的語言,結果都徒勞
試著把兩套數學放在一起
它們合不來
你的到的答案的可能是無限的
並非深奧,而是不合理
很諷刺,因為它是第一個可用量子化的方式理解的
但仍與其它力量格格不入
自然定律應該適於各處
愛因斯坦的定律該適於各處
量子力學定律也該適於各處
不能有兩個不同的各處
1933年逃離德國後
愛因斯坦定居在新澤西普林斯頓
獨自研究
繼續十年前的探索
統一引力和電磁力
每隔幾年,報紙頭條就會登著愛因斯坦近乎成功
但他的同事認為他的探究進入迷途
黃金時間已過去了
愛因斯坦晚年已脫離
物理學界,不再閱讀人們的文章
他可能甚至不知道弱核力的存在
他不關注這些
他專心致力於年輕時就開始的問題
當物理學界開始研究原子
愛因斯坦沒跟上潮流
他某種程度
選擇不去瞭解實驗的結論
意味著量子力學定律
與以後的研究無關
他被認為
一個掀起革命,卻被淘汰的老人
就像個偉大的指揮將軍
在一次大戰時立下豐功偉績
現在嘗試帶領騎兵
再次進行奮勇抗戰
愛因斯坦在1955年4月18日逝世
很多年來
愛因斯坦統一所有力量成單一理論的夢想也隨之逝去了
對統一的探究成了物理學的死水
愛因斯坦在50年代逝世
幾乎沒有物理學家從事統一理論的探究
此後物理學家分為兩個陣營
一個利用廣義相對論研究大物體
如星球,星系,整個宇宙
另一個用量子力學研究微觀物體,如原子和粒子
就像兩個家庭不能和諧相處
而住在同一屋簷下
似乎無法將量子力學
和廣義相對論合成單一理論,來解釋宇宙萬物
儘管如此
我們對宇宙的認識已大有長進
但有個問題
宇宙中有奇妙的領域是無法完全瞭解的
直到我們找到統一理論
最顯著的證明是
黑洞的深淵
德國天文學家史瓦西得
於1916年首先提出黑洞
在第一次世界大戰前線時
他用奇怪的新方式解開了愛因斯坦廣義相對論方程
計算炮彈軌道
史瓦西得想到一個質量很大的
像星體那樣,集中在細小區域
會將時空扭曲
連光也逃不過引力的拉動
幾十年來
物理學家們對史瓦西得的計算表示懷疑
如今衛星望遠鏡能深入探測空間
發現某處有巨大的引力,令科學家相信是黑洞
史瓦西得的理論似乎是真的
有個問題:
你試著瞭解黑洞的深處
一個星體收縮成一點的地方
你會因為星體很重而利用廣義相對論
或是量子力學,因為它很微小?
這就是問題所在
黑洞中心又重又細小
要同時採用兩種理論
試著把兩種理論一起放在黑洞的情形
它們矛盾,崩潰了
得到毫無根據的預測
宇宙並非如此,是合情合理的
量子力學很好地計算微小事物
廣義相對論很好地計算星體和星系
而原子,星系,都是宇宙的部分
肯定得有涵蓋一切的理論
所以不能一套解釋原子,一套解釋星系
如今,用弦理論
可能會找到統一兩種理論的方法
瞭解宇宙的一切
代替許多微小粒子
弦理論聲稱宇宙的一切
所有力量物質由同一素材組成
一段段的叫做弦的震動能量
弦能以不同方式扭動
反而一點不能
弦可能有不同扭動方式,代表不同種類的基本粒子
就像提琴上的弦能夠震動
每個音符代表不同粒子
因此具有統一性
統一各種粒子的理解
統一不同力量粒子終於達成了
因為它們來自相同的弦不同的震動
簡單的概念而後果深遠
當弦理論提出承諾
我們還能理解科學以外的問題:
宇宙怎麼形成
為什麼宇宙在最基本的層面?
我們腦海中一套
可解答這基本問題的科學理論很吸引人
而這套吸引的理論極富爭議
弦存在的話,很微小
很難看見它們
弦理論和弦學家有個問題
怎麼測試弦理論?如果無法用測試普通理論的方法進行
那不是科學,而是哲學,就真是個問題
如果弦理論無法提供可檢測的預測
沒人會相信
另一方面,有著另一種高雅
給予了理論物理不斷演化的歷史
完全可以想像這些概念會成為正確的
100年後,這獨特的時期
是大多數物理學家鑽研弦理論的時期
被銘記為一個英雄的時代.
他們嘗試將自然界的現象發展為統一的理論
另一方面,又是個失敗的年代
我猜想前者多餘後者
但100年後問我,就能回答
我們對宇宙的認識
在3個世紀以來經歷了很多
想想看
牛頓,古今最偉大的科學家,曾經說
我像個小男孩在海邊玩
尋找著光滑的石頭和漂亮的貝殼
真理的海洋在面前,未被發現
250年後
出現了愛因斯坦,牛頓的繼承
開始注意這海洋
所有自然定律
用數學符號來解釋一系列基本概念
愛因斯坦去世後的50年
我們憑弦理論接近實現他的統一夢想
而這奇怪的理論從何而來?
弦理論怎麼樣統一宏觀定律
和微觀定律呢?
我們怎麼知道對或錯?
沒有實驗能驗證研究範圍的遠近
理論永遠安全
是物理還是哲學的理論?
無法確定能成功
希望最後有套理論能掌控一切