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…
革命性理論的開始很艱難
我深信,撒斯肯得是下一個愛因斯坦
顯得很瘋狂
我很失落,不開心
我醉倒在家
困擾著科學家們追求物理學界的聖盃,
他們為自己的探索做好準備了嗎?
馬上就進入優雅的宇宙的奇異世界
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
這是鮮為人知的秘密,而超過半個世紀以來,一團烏雲籠罩著現代物理學界
問題是: 我們對宇宙的理解基於兩套不同理論
一個是愛因斯坦的廣義相對論
這是瞭解宇宙中最大物質的途徑
比如星體,星系
而宇宙中最小的物質
原子和亞原子粒子,依據另一套定律
量子力學
這兩套定律在各自領域都十分精準
而每當試著合併
去探索宇宙最深的奧秘時,麻煩就來了
以宇宙的產生,也就是大爆炸為例
那一瞬間,極小的一塊猛烈爆炸
經過之後的140億年,宇宙膨脹
和冷卻,成了如今的星體,星系和行星
如果倒著播放這宇宙的片段,
一切分開的再聚集起來,
當我們回到時間產生的時候,宇宙越變越小,越來越熱,越來越密
回到大爆炸,宇宙無比重和微小的時候,
停住我們的放映機
兩套物理定律合在一起的時候,就崩潰了
而如果能合併量子力學和廣義相對論
再看這整部宇宙影片會怎麼樣呢?
那麼一套全新的弦理論也許可以
如果確實這樣, 將是科學史上最賣座的影片
某時, 弦理論也許能解釋所有自然現象,
從最細微的物質到宇宙最遠處,
僅用一種成分
叫做弦的微小的震動的能量
而為什麼要因此改寫物理定律呢?
兩套不相容的定律有什麼要緊呢?
這樣想一下
設想你所居住的城市不由一套交通規則控制,
而有兩套相矛盾的規則
就會發現非常混亂
想瞭解這地方,
必須想辦法合併這兩套矛盾的定律
成為包羅萬象的一套定律
我們的工作是,假設有這樣一套理論,
如果我們夠聰明能幹,就得想出來
我們無法保證一定成功,而並非遙不可及
希望最終能有一套主宰一切的理論
而在找到這理論前,
要進行一次奇幻的旅程
看看為什麼兩套定律相互矛盾
這奇異旅程的第一站是龐大物體的領域
用其中一套理論宏觀地描述宇宙,
是愛因斯坦的廣義相對論
這是解釋引力運作的理論
廣義相對論把空間展示為蹦床,
一層光滑的面,星體和行星可以扭曲和伸展它
根據這理論,這些曲線變形造成我們所謂的引力
就是說,令地球饒太陽旋轉的引力
無非是地球隨著
太陽在空間上造成的曲線和波動而動
而廣義相對論預測的光滑而有起伏的空間
並非全部
想微觀地瞭解宇宙,
要用另一套理論,量子力學
如我們所見的,
量子力學所描述的空間,與廣義相對論的截然不同.
你會覺得它們在描述兩個宇宙
去看看廣義相對論和量子力學的矛盾
我們要變得很小很小
當我們離開龐大物體的世界
接近微小物體的領域
熟知的一切有著規律的空間
漸漸被結構不穩定的世界代替
如果我們繼續縮小,
到幾百億倍的小,甚至小於最微小的物質
原子和裡面的微粒子
描述微觀的定律,量子力學
認為這裡的空間波動且混亂
我們最終來到有違常理的世界
這兒,空間和時間變形扭曲,傳統的概念
左右
上下
甚至前後,都崩潰了
無法確認我們在這兒,
或這兒,或同時在兩個地方
或我在到這兒前,已到了這兒
量子的世界無法承諾任何事
這兒是近乎瘋狂難琢磨的
量子世界的定律與我們固有的很不同
奇怪嗎?
為什麼原子層面的微觀世界,
要遵循固有的規則呢?
有蘋果,橙子,行人的規則呢?
為什麼要同樣的行為呢?
量子力學預測的時空波動
與平滑的,有秩序的,幾何模式的時空是相矛盾的
由廣義相對論所描述的
而我們認為萬物
從亞原子粒子的瘋狂跳動到到星系的漩渦,
都該由一套物理原則解釋,一套總方程
如果我們找到這方程
宇宙如何運作,無論何時何地,都可完全揭開
我們需要的理論,是可以解釋最微小和最龐大的,
包含量子力學和廣義相對論,永不會崩潰
對於物理學家,找到這聯合廣義相對論和量子力學的理論就像聖盃,
因為那框架會給我們一套描述主宰宇宙所有力的單一數學理論
廣義相對論描述最為人熟悉的力:引力
而量子力學描述另外三種力:
強核力
負責粘住原子內的質子和中子
電磁力,產生光,點,和磁吸引力
還有弱核力:
負責放射性的衰變
宇宙中一切
由原子分裂到星球產生,
都來自這四種力相互影響
愛因斯坦用他人生最後30年
探索一套描述所有自然力量的單一理論,
如今弦理論實現了他統一的夢想
幾世紀來,科學家假設自然界最基本的成分
原子和裡面更小的粒子,像小球裝和點狀
而弦理論闡明在所有物質的核心
是叫做弦的,一簇簇細微的震動的能量
新派科學家相信這弦就是
統一宏觀和微觀世界,成為單一理論的關鍵
我們所擁有的一套科學理論
能解答最基本問題的理論,十分吸引人
2000年來
一切物理學基於…基本上是所說的桌球
弦這特別的概念是種轉移,
代替桌球, 而用一條條意大利面
而並非每個人都接受新理論
目前還無法用實驗證明弦的存在
簡單說
有物理學家也有弦學家
這是新派的,可以說是腫瘤
說什麼都可以,
但他們關注的是實驗無法證明的問題
弦學家會否認這點,
這是還未被驗證的物理學,
它的預測
無法在實驗室證明,也不能在太空或用望遠鏡驗證
我從小到大一直相信,物理是實驗的科學
由實驗得出結論,或是通過天文學,觀察
初始時,很多科學家認為弦理論遠離現實
坦白說,這理論的演化既離奇又有巧合
顯得不可能
事實上,它的誕生也是個傳說
可能是這樣…
1960年代末,年輕的意大利物理學家,維內齊亞諾,
尋找解釋強核力的方程,
那就是原子核內
粘著質子和中子的力量
一天他無意發現一本陳舊的物理歷史書,
他發現了200年前的一個方程
由瑞士數學家歐勒寫的
維內齊亞諾驚訝地發現歐勒的方程,
被視為數學方面的,似乎在描述強核力
他很快發表了論文,意外地成名了
我偶爾看到的書寫著
這模型是意外發現的,或在數學書找到的
令我感到不舒服
事實上這是多年研究的成果,
我們無意發現了弦理論
無論怎麼發現了它,
歐勒這個解釋強核力的方程, 廣為流傳
這是弦理論的誕生
廣為傳播著,
歐勒的方程終結在一位美國物理學家撒斯肯得面前
我仍記得方程
這方程是…
看著它,我說道, 這很簡單我也想得出來
撒斯肯得躲在他的閣樓研究
他明白了這古老的方程以數學方式描述了強核力,
而他在抽像的符號下發現了新東西
他仔細研究
在閣樓裡思考了2個月
而首先看到的,
是在描述某種有內部結構的,會震動的粒子,
它不只是質點
我開始領悟到所描述的是弦,有彈性的弦,
像橡皮圈或半個橡皮圈
它不僅會伸縮,還會扭動
恰好符合這方程
當時我很確定世上只有我知道這點
撒斯肯得以論文介紹了這革命性的弦理論發現
而論文公開前,由專家組審核
我完全相信他們會說,
撒斯肯得是下一個愛因斯坦,甚至牛頓
而回復卻是,這論文並不好,不該發表
我很受打擊
我很失落,沮喪,傷心
令我精神崩潰,醉倒在家裡
因這套理論被拒,撒斯肯得借酒消愁,
顯得弦理論終止了
此時,主流科學仍抱著粒子是點,而不是弦的想法
幾十年來, 物理學家一直探索著微觀粒子的行為
以高速撞擊它們,研究這撞擊
產生的粒子如傾盆大雨般,他們發現自然界比想像中更豐富
每個月都會發現新粒子
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
這是粒子的大爆炸
當時研究生們會跑到物理樓的走廊
大喊發現了另一種粒子,它符合理論
大家都很興奮
在這新粒子的園地, 科學家不僅發現物質的組件
弦理論已無人問津,科學家作出另外的奇異預測
自然力量也可以用粒子解釋
這是個奇怪的概念,但就像接球的遊戲,像我這樣
而我就是物質的粒子
而我們扔的球就是力的粒子
叫做信使粒子
比方說,磁力,或電磁力,這個球就是光量子
信使粒子或光量子來回的次數越多,
磁吸引力就越強
科學家預測,信使粒子的來回往來,造成我們感到的引力
實驗證明這些預測,由於信使粒子,電磁力
強核力和弱核力的發現
利用這些新發現的粒子
科學家離愛因斯坦的統一夢更進了
粒子物理學家推斷,若把宇宙影片倒回到大爆炸後一刻,
約140億年前,宇宙熱很多很多,
電磁力和弱核力的信使粒子很難區別
就像冰塊在太陽下融化
實驗顯示,返回到大爆炸的高熱狀況,
弱核力和電磁力會融為一體,成為單一的力
叫做電弱
物理學家相信, 如果回到更早的時候,
電弱會和強核力結合,成為超強力
儘管還未被證實,
量子力學能解釋三種力在亞原子層面如何運作
突然我們有了一套統一的基本粒子物理理論,
能解釋所有的相互相互作用?
弱,強,電磁力,以同種語言
一切合情合理,都印在課本上
一切成為一幅包含已知粒子和力的畫面,
最終被命名為標準模型.
應該是我命名的
標準模型的發明者,包括理論,在科學界很轟動
獲得了諾貝爾獎
在光芒背後是有缺陷的
儘管標準模型解釋了規範微觀世界的三種力,
並沒有包含最令人熟悉的引力
被標準模型掩蓋了,弦理論成為一潭死水
業內許多人都失去了對弦理論的興趣
他們說這的確是很優雅的東西,但對大自然無用
大多數人沒認真對待
而弦理論的先行者
深信它們合乎真實,繼續追尋這概念
而他們越是深入鑽研弦理論,問題就更多了
早期的弦理論有很多問題
其一是它預測的粒子不合物理學
叫做快子,比光還要快
這理論的發現需要十維空間,
令人苦惱,當然,顯然比我們有的多
它是無質量的粒子,無法由實驗所見
因此這些理論顯得不合理
顯得瘋狂
基本上,弦理論無法突破
大家都呼籲這是不可能的
到1973年
只有幾位年輕物理學家仍然糾纏於弦理論方程
有個叫史瓦次,忙於解決弦理論的問題,
理論預測到無質量的神秘粒子,而從未在自然界見過,
還有異常狀況或數學矛盾
我們花了很多時間調整這理論
我們嘗試一切,把它變成4維,
去除無質量粒子和快子等,
但結果難看,沒人信
史瓦次花了4年馴服弦理論方程,
改變,調整,結合,以其他方法再結合
但都不行
在幾乎要放棄它的時候,史瓦次靈機一動
或許他的方程在描述引力
就是說要重新考慮這微小能量的大小
那之前沒想過引力
但當提出要以引力理論處理,
我們得徹底重新考慮弦的大小
假設弦比原子小無數倍
理論的一個缺點變成優點
史瓦次一直想去除的神秘粒子現在變成引力子,
相信是在量子層面傳送引力的粒子
弦理論提供了標準模型所缺少的版塊
史瓦次申請發表這突破性的理論,描述引力的活動
在亞原子的世界裡
我們覺得這理論是正確的
而科學界卻沒有回應
弦理論再一次受挫
但史瓦次沒有放棄
他瞥到了聖盃所在
如果弦在量子層面描述引力,
一定就是統一四種力的關鍵
他找到了探索之路上的同伴, 願意把自己的事業賭在弦上的人
麥克爾.格林
我們對弦理論是正確的很有信心,
當時無人理會並沒什麼關係
他們以後就會明白
為免信心白費,
他和史瓦次必須面對一個事實,在1980年代早期
弦理論仍有數學缺陷:異常
異常就是奇怪的
像一些格格不入的東西
這異常只是古怪
而數學異常是物理理論的災難
它們有些複雜,讓我舉些例子:
假設我們有一套有兩個方程的理論
描述宇宙的一個物理性質
如果解開這方程,X=1
再解開這方程,X=2,
這理論就有異常,因為X只能有一個值
除非能修正這方程,使兩邊X的值一樣,
否則理論就完了
1980年代早期,弦理論就充滿了這類數學異常,
儘管方程要複雜得多
弦理論的未來在於是否能協助方程,消除致命的矛盾
史瓦次和格林與弦理論的異常奮鬥了5年之後,
在1984年夏天的某晚,他們的研究到達高潮
一般人認為這理論既然有異常,就一定有矛盾
不知為何,我一直覺得他們錯了,
因為我覺得弦理論一定正確,不可能異常
因此我們決定必須計算出來
神奇的是一切歸結為一個算式
一邊算出496
如果在另一邊得到相同值
將證明弦理論沒有異常
我還記得那特別時刻,
當我和史瓦次在黑板前商量,推算這一定要相等的值
我記得當時和史瓦次開玩笑,外面狂風暴雨
因為當時的暴風雨,我說道,
我們一定是成功在望了,因為神想阻止我們完成這計算
結果的確相等了
數字的相等表示理論並無異常
它有數學能力包容四種力
我們看到弦理論不僅能描述引力,還能描述其他力
因此我們提到統一
我們把這視為實現愛因斯坦晚年的夢想的一個機會,
將不同的力結合為更深層的結構
我們覺得很棒
是個非常時刻,
因為我們意識到從未有其他理論如此成功
而現在,有點像狼來了.
每次有點進度,以為大家會很興奮,卻沒有
我現在並不期望很多回應
而這次回應驚天動地
不到一年,弦學家的數目從寥寥無幾到幾百個
之前我發表的演講最多只有5分鐘,在小型會議上
突然受邀到世界各地演講
弦理論被視為萬有理論
1984年初秋,我來到牛津大學,
開始物理研究生的學習
幾周後,我看到格林前來演講
我不知道他是誰,當時我誰也不認識
而演說的標題是萬有理論,我怎能抗拒呢?
這優雅的新的弦理論似乎能描述所有構成自然的部分
以下是實例:
每粒沙裡面有幾十億的微小原子
原子由更細微物質構成,
電子繞原子核旋轉,原子由質子和中子構成,
而它們由更小的物質夸克組成
而弦理論說這並非盡頭
它提出驚人的聲明,構成萬物的粒子
由更小的成分構成,
扭動的像弦的能量
每條弦難以置信得小
事實上,把原子擴大到太陽系的大小,
弦相當於一棵樹的大小!
這是關鍵的構想
就像大提琴上一根弦以不同震動模式
造就了不同的音符,
不同的震動方式形成粒子的特性,
比如質量,電荷
例如,構造我們的粒子
和傳送引力的粒子或其他力的粒子,唯一的區別,就是弦的震動方式
由無數扭動的弦合成,
宇宙就像壯大的交響樂
這優雅的概念化解了亞原子層次動盪不安的景象
跟宏觀平滑空間的矛盾
量子力學的不安定
跟愛因斯坦廣義相對論的平和,很難相結合
現在弦理論的出現,基本上平和了量子力學的不安定
將傳統概念中的點狀粒子拉伸到弦狀
不安定活動仍存在,
只是程度輕微,令量子力學和廣義相對論在這框架內結合起來
這是數學界的成就
只憑震動的弦
弦學家聲稱已實現愛因斯坦統一所有物質和力的夢想
而這新理論有個漏洞
沒有實驗能檢測距離實際的情形
沒有觀察能與研究細微距離或高能量相關聯
就是說,沒有實驗,
也沒有觀察,能證明,
你們錯了.這套理論永遠安全
這是物理還是哲學理論?我問你
有人批評弦理論遠離一切,遠離直接實驗的檢測,
因此不能完全當作物理的分枝
我的反應很簡單,有一天能證明他們錯了
令弦理論更加難以證明的是,為了要解開
複雜的方程,需要聽起來像源自科幻小說的東西:
額外一維的空間
幾世紀以來,我們認為只有眼前所見的東西
只有這三維
還有個時間
曾提出有更多維空間的人,被看作瘋子,或神經錯亂的
弦理論確是這樣預言
正視它,弦學家不得不解釋荒唐的預言如何屬實
他們聲稱更多維的概念,比你所想的要現實
讓我表明我的意思
我要去見一個較先有這奇怪理念的人
我將在4點和他見面,在5街和93街交界的2樓
為了這次會面,我需要四種信息:
三維空間各一種
街,大道,樓層,還有時間,這第四維
你可認為這是日常體驗的4維:
左右,前後,上下,和時間
空間不僅3維的古怪概念要追溯到一個世紀
我們活在一個三維空間的概念似乎不容置疑
而1919年,卡魯察,
一位名不見經傳的德國數學家,居然敢挑戰它
他提出,或許
我們的宇宙有多一維,因為某種原因看不見
他說,我欣賞你的想法,但他為何要等?
卡魯察將多維空間的概念給愛因斯坦看
儘管最初愛因斯坦很有興趣,
後來卻有點動搖,阻礙了卡魯察2年不能發表論文
愛因斯坦同意更多維的概念後,卡魯察的論文最終發表了
是這樣的
1916年,
愛因斯坦表明引力只是4維空間裡的波動和漣漪
僅僅3年後,卡魯察提出電磁力也可能有漣漪
如果真的,卡魯察就得找個地方令漣漪產生
因此卡魯察提出了隱藏的空間
而如果卡魯察是對的,額外的維在哪兒?是什麼樣呢?
能想像得出嗎?
以卡魯察的研究為基礎,瑞典物理學家克來恩給了個不尋常的答案
看掛交通燈的電纜
這麼遠看不到任何厚度
就像一條線,只有一維空間
假設可以靠近探索
就像螞蟻的角度
就能看見包著電纜的第二維空間
從螞蟻的角度能前後移動,
也可順時針或逆時針
所以維分成兩種
可以長又平,就像電纜的長度,
也可以又小又彎曲,就像包著電纜的弧度
卡魯察和克來恩提出的狂想,空間就像電纜的表面,
有我們熟悉的廣闊的三維空間,又有微小的彎曲的維,
比原子要小幾十億倍,看不見它
所以我們以為活在三維空間,或許不完全正確
我們活在眼前以外更多維的宇宙
那額外的維是怎麼樣的呢?
卡魯察和克來恩提出,如果我們可以縮小幾十億倍,
可以發現空間的每一點都有細小而彎曲的維
就像螞蟻可以探索電纜的弧面,
理論上,幾十億倍小的螞蟻
也可以探索這細小而彎曲的維
認為有額外維的想法是弦理論的核心
事實上,弦理論的數學要求,並不是一個,而是6個額外的維,
交錯糾纏成複雜的形狀,有點像這樣
如果弦理論是正確的,我們得承認有更多維空間,
我感到很驚人
如果我接受這理論,就得得出有額外維空間的結論
它們是自然的一部分
提及額外維
其實指三維以外的空間,就像我們看到的周圍的空間一樣
唯一的分別是形狀不同
但彎曲成奇怪形狀的額外維,
怎麼影響我們的日常生活呢?
根據弦理論,形狀就是一切
因為形狀,法國號可以吹出各種不同的音
如果按其中一個鍵,會改變音,
因為你改變了號裡空氣迴盪的空間的形狀
我們認為弦理論的彎曲維的空間是類似的
如果我們可以進入弦理論預測的6維形狀裡
就會看見額外的維在糾纏彎曲,
影響到弦,宇宙最基本的元素,怎樣活動和震動
這可能是破解大自然奧秘的關鍵
我們的宇宙就像精密的儀器
科學家發現約20個數字,
20個基本自然值,造成我們如今宇宙的特性
這些數字就像電子的重量,
引力的強度,電磁力,強核力和弱核力
只要我們將宇宙儀器,依照這20個值精確地設置,
就會成為我們熟悉鍾愛的宇宙
而如果改變少許
後果將不堪設想
比如,我提高電磁力的強度,
原子排斥的力度加強,令星體發光的核熔爐崩潰了
星體,包括我們的太陽,完結了,
我們認識的宇宙消失了
自然界的什麼力量使這20個值這麼精確?
答案可能是弦理論的額外維
弦理論預測的彎曲,微小的6維形狀
使弦以特定形式震動,形成了光子
另一條弦以另一模式震動,產生了電子
因此根據弦理論,
微小的額外維的形狀的確可以主宰自然界的一切,
奏出弦的和諧的宇宙交響樂
1980年代中期,弦理論勢不可擋,
但光芒背後卻很混亂
多年來,弦學家如此成功,他們構築的不是一個,
而是5個弦理論版本
每個都基於弦和額外維
細節上,5種卻不協調
某些版本,弦是開口的一縷縷的
另外則說是閉合的環
一瞥,兩個版本甚至要求26維
5個版本都顯得合理.
哪個描述我們的宇宙?
這令弦學家有些尷尬,因為一方面,
我們想說這個就是真理,是對宇宙的終極描述
但我們還想說,有5種味道
一個宇宙你們會預期只有1套理論,而非5個
這是因多得少的最好例子
不喜歡弦理論的人的一種態度是,
你有5種理論,不是獨一無二
這情況很怪,
因為我們希望有一套自然理論,不是5套
如果有5套,更有甚者會找到20套
或者無限的,
會回到胡亂搜尋宇宙理論的階段
也許5套弦理論中正有一套描述我們的宇宙,而另一方面
哪一套?為什麼?另外的有什麼用?
有5套弦理論雖然是很大的進步,但有人會問:
如果其中一套理論是在描述我們的宇宙,那誰生活在另4個世界?
弦理論似乎又失勢了
很多物理學家苦無進展,漸漸放棄這理論
弦理論是否能證實萬有理論
或者淪為空有的理論?