2011-09-15-科学狂想曲——拨动生命的琴弦2.doc

拨动宇宙的琴弦（二）Part 1：大片头主持人：嗨，大家好，“科学狂想曲，曲中眼界开”，我是杜书蕾。欢迎收看科学狂想曲！上期的节目里，我们一起见证了弦理论诞生的传奇故事，也知道了，弦理论很有可能成为那个，把广义相对论和量子理论统一起来，解释万事万物的终极理论。弦理论究竟是怎么把他们统一到一起的？它又是如何解释万事万物的？ 小片头：弦理论，万物之理，描述所有的力和物质，从原子到地球，再到星空另一头，从时间的初始，到最后一声钟声。字幕：拨动宇宙的琴弦（二） VCR：水影画视频主持人：这就是最近十分流行的水影画，不仅画面特别好看，而且它把一滴水，幻化成一个世界的做法，也颇有哲理。现在我们知道了，“弦”就是我们这个世界的那滴水。但是，在弦理论诞生之前，所有人都认为，世界是由无数个小“点”构成的。我上学那会，物理课本上就说，“构成世界的最小物质是原子”，老师们也让我们想象，原子是一个很小很小很小的点。弦理论之前的科学家，都相信，用这些“点”，可以解释引力、电磁力、强核力、弱核力，万事万物都包容在这一个个小点中间。可以说，弦理论就是借鉴了点粒子理论的观点发展起来，并统一万物的。VCR：20:4222:50长久以来，主流科学认为构成世界的粒子是点。科学家探索微观粒子的行为，也是通过让粒子高速对撞，然后去研究碰撞产生的新粒子。碰撞后会产生大量倾泻的粒子，这让科学家们认识到，大自然远比他们所想的要复杂得多。00:22:37,230 - 00:22:40,505每个月都能发现新粒子，介子、粒子、b粒子、b1粒子、b2粒子、，字母表上的字母都不够用了。那简直就是粒子界的人口爆炸。那时，研究生们常常在物理系的大厅里边跑边喊，我又发现了一种新的粒子！它符合理论设想，这太令人激动了。在这个新粒子大家庭中，科学家们不仅发现了事物的构成，还做出了一个奇特而惊人的预言，自然界的作用力，可以通过粒子进行解释。00:23:36,820 - 00:23:39,190这就像传接球游戏，在游戏中，双方的选手，都是物质粒子。来回传递的球，就是作用力粒子，称作媒介子。举例来说，电磁作用的媒介子是光子，光子传递越频繁，磁性产生的吸力就越大。科学家们还预言，正是这种媒介子的交换，产生了我们所感知到的作用力。主持人：哦，我明白了。这个理论的意思是说，在某两个东西之间，存在我们看不见的“点”，也就是他们叫做媒介子的东西。这个媒介子在两个东西之间，来来回回地做折返跑，而通过这个家伙的交换，就产生了我们所感觉到的作用力。交换的东西不同，产生的作用力也不一样。这个貌似就有点像我们打羽毛球，或者乒乓球，只不过我们打球的时候，一方打得越快越用力，对手就越难接到。而媒介子这种东西，发生作用的方式，要神奇得多了。但这个跟弦理论有什么关系呢？00:23:15粒子物理学家称，如果回到宇宙大爆炸发生的时刻，也就是大约140亿年前，宇宙的温度会比现在高出几兆度，媒介子产生的电磁力和弱作用力，一定难以区分，就像在太阳照射下，冰块会融化一样。实验也证明，回到大爆炸时期的超高温度下，弱作用力和电磁力将溶为一体，形成一个单一的力，称为弱电作用力。并且物理学家们相信，如果将时间回溯到更早，弱电作用力将会和强作用力结合，形成一个巨大的超级作用力。尽管这一假设还未被证实，量子力学却能够解释，在亚原子级别，这三种力是如何运作的。00:25:45,890 - 00:25:47,670突然之间，我们有了一种基本粒子物理学的普适理论，我们能用它解释所有相互作用力：强作用力，弱作用力和电磁作用力。它都能说得通，并且已经编入了课本。万事万物全部被已知的粒子和作用力简单表示，最终人们称其为“标准模型”，这是我起的名字。00:26:30,790 - 00:26:35,000“标准模型”这一名称和理论的创造者，成了科学界的红人。他们获得了一个又一个诺贝尔奖。但荣耀背后，却有一个明显的疏漏，虽然标准模型可以解释，三种规范微观世界的作用力，却不能解释人们最熟悉的引力。主持人：还好，当可怜的科学家们深陷重重迷雾中时，我们的弦理论华丽丽的诞生了，它最终弥补了“标准模型”的疏漏，合理解释了强作用力、弱作用力、电磁作用力和引力这四种力。但这个过程是无比艰辛而曲折的，这也让我无限的佩服这些有着重大发现的科学家们，在我眼里，他们都像盖世英雄一样。那么这一次，这个整合四种力的英雄又是谁呢？他在这个研究的过程中又遭遇了些什么呢？下节回来告诉你！P2：VCR：00:27:12,470 - 00:28:38,580这个人就是约翰席瓦兹。那时候的弦理论虽然存在很多问题，但是席瓦兹坚信弦理论是正确的。他正忙着解决弦理论的两个主要的问题。第一个是：弦理论预言了，有一种无质量的神秘粒子存在，但从未在自然界见过。第二个是所谓的“反常”，弦理论的方程存在数学上的不一致性。00:29:06,840 - 00:29:10,470席瓦兹不断尝试征服这个方程，改变、调整、组合、重组，试过了各种方法，却无一奏效。正当他准备放弃的时候，席瓦兹突发灵感，说不定这个方程是描述引力的。这就意味着，要重新考虑，这几股作用力的大小。假设弦要比一个原子小无数亿倍，神秘粒子的存在反而不是问题了。席瓦兹一直试图剔除的神秘粒子，现在却成了引力子。借助点粒子理论，但将点拉伸为一条弦后，人们一直寻找的，在量子级传输引力的粒子终于被发现了。弦理论解开了标准模型理论遗漏的谜题。00:30:45,000 - 00:30:48,880席瓦兹发表了他的新理论，描述引力在亚原子世界是如何作用的。我们都觉得它肯定是对的，但是学界却没有丝毫回音，弦理论遭到了无情的忽视。主持人：很多人喜欢周星驰的电影，大话西游、食神、少林足球、唐伯虎点秋香，数不胜数。有人喜欢他搞笑，有人喜欢他浪漫，有人喜欢他帅，总之是各种喜欢。而我最喜欢的电影是喜剧之王，尤其喜欢每次有人叫他为“死跑龙套的”，他都会认认真真地回答：“其实，我是一个演员”，他的认真和坚持最终也换来了成功。有的时候就是这样，你付出了努力，别人却不一定认可。你所能做的，就是坚持做自己，为了你认为正确的一切，努力再努力！你手中的真理总有一天会发光！VCR: 00:30:45,000席瓦兹相信，如果弦能够描述量子级别的引力，那它一定是整合四种力的关键。但是当时，只有一位科学家愿意与他合作，设法解决弦理论的另一个主要问题，他就是麦克格林。00:31:32,430 - 00:31:35,454实际上当时我们确信，弦理论一定是正确的，即使人们不认可也无关紧要，他们最终会明白的。00:31:48,560 - 00:31:49,900席瓦兹和格林必须解决弦理论的第二个主要问题，数学上的不一致性，被称为反常。“反常”解释起来有点复杂，我们来举个简单的例子。假设有一个理论，其中两个方程描述了宇宙的同一种物理属性，解开左边这个方程，求得x等于1。而解开这个方程，x却等于2。这就证明这个理论有反常之处，因为x只能有一个值。除非能修改方程，使x的值保持一致，否则这个理论就行不通。数学上的反常，可以判一个物理理论死刑。00:31:48,820 - 00:32:52,062席瓦兹和格林与反常现象持续斗争了五年。在1984年一个夏季的深夜，他们终于迎来了事业的高峰。我认为弦理论一定是对的，所以根本不存在反常。所以我们决定计算这些方程。神奇的是，最终它被简化为一个算式，在黑板的一侧他们算出496，如果在黑板另一侧得出相同的结果，就能证明弦理论不存在反常。我至今还记得那个特别的时刻，约翰席瓦兹和我在黑板旁一边交谈，一边计算数字。它应该符合方程，并且与前一个数字一样。我记得当时和约翰席瓦兹开玩笑，那时阿斯彭山里下大暴雨，又打雷又闪电，我记得自己好像说过，我们肯定要成功了，因为上帝正试图阻止咱们把计算完成。结果是，两个数确实一样。相符的数字证明这个理论不存在反常。它同时从数理上整合了四种作用力。00:34:43,590 - 00:34:46,770我们发现弦不仅能解释引力，还能解释其他的作用力，因此我们能用统一的术语了。这很可能会使爱因斯坦晚年的梦想成真，用更睿智的基本理论统一不同的力。感觉真是棒极了，那是一个不寻常的时刻。因为我们意识到，其他任何理论都不曾达到这点。不过此时，就像狼来了的故事，每次我们有了新的进展，我以为大家会很兴奋，而事实却相反。所以我想，这次我不期待凡响强烈了。00:35:22,490 - 00:35:26,530然而这次的反响却是爆炸性的。不到一年，弦理论科学家的数量，从几个激增到上百个。那之前，我关于这个课题，做过最长的演讲是5分钟，是在一个小型会议上。然后，突然间我收到了来自世界各地的邀请，让我去演讲或讲座等等。弦理论被称之为万物至理。主持人：中国那句老话怎么讲来着？有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴啊。通过席瓦兹和格林的不懈努力，弦理论终于在数理上整合了引力、电磁力、强核力和弱核力这四种力。物理学家们终于看到了，用一个理论，解释万事万物的希望。VCR：00:36:18,939 - 00:36:21,949优雅新颖的弦理论，似乎能解释自然界的一切物质结构。众所周知，每个原子由更小的物质组成，质子和中子组成原子核，电子绕原子核运动，电子由更小的物质“夸克”组成。而弦理论认为这还不是终点，它声明，构成天地万物的粒子，由更小的物质组成。一条条如琴弦般，不断振动的细线。每根弦小到无法想象。假如把一个原子比作太阳系，弦只相当于一棵树大小。弦理论的核心思想是，就像大提琴琴弦以不同的频率和方式振动，可以产生不同的音符。弦的不同的振动方式，可以使粒子具有独一无二的性质。例如，组成你我的粒子，和传导引力及其它作用力的粒子，唯一区别，就是弦不同的振动方式。这个优雅的理论解决了，在亚原子层面，宇宙表现为纷杂易变，和宏观层面，宇宙表现得平滑稳定之间的矛盾。量子论的激烈，与爱因斯坦广义相对论的平缓之间，很难建立起一座桥梁，把两者统一起来，现在，弦理论的出现，基本上平息了量子力学的不安定。它借助了旧的点粒子理论，并将点拉伸为一条弦。不安定活动仍存在，程度却变得轻微了。量子力学和广义相对论，在这一理论框架内完美结合了。00:40:24,269 - 00:40:27,489弦理论统一了量子力学和广义相对论，但还是有很多人深怀疑问。为了使复杂无比的方程式可解，弦理论需要，科幻小说里描绘的更多空间维。我们已经思考了几个世纪，能看到的还只是这些仅有的维度，三维的空间加一维的时间。提出空间拥有更多维度的人，一直被贴上傻子或走火入魔的标签。但是，弦理论真的预言了他们的存在。问题随之而来，弦理论家必须解释清楚，这个怪诞的预言如何成真，并且证明，他们声称的更多维度的概念，并非仅仅是个幻想。主持人：爱因斯坦的四位空间我觉得很好理解。就像我们去看电影，电影票上总会标明，在几楼的几号厅，第几排的几号位子，嗯，还有开播的时间。上下，前后，左右，再加上一个虽然我们看不到，但却可以感觉到的时间，四个维度，就可以让我们精确地处理，生活里的大部分事情。但是，弦理论说，还有更多的维度，四维已经让这个世界满满的了，我想象不出，哪还有地方弄更多的维出来？多出来的维又是什么样的？下节回来，为你揭晓。PART3：VCR：00:41:18,289 - 00:41:19,9391919年，德国数学家西奥多卡鲁扎，认为我们的宇宙可能还有另外一维，只是因为某种原因我们看不到，并把他的想法告诉了爱因斯坦。开始爱因斯坦表现出了极大的兴趣，但随后开始动摇，阻碍了卡鲁扎2年不能发表论文。最终，在爱因斯坦同意更多维度的概念后，卡鲁扎的论文发表了。00:43:35,219 - 00:43:38,989基于卡鲁扎的理论，瑞典物理学家，奥斯卡克莱恩描述了额外维度的存在方式。比如这些电缆，远距离时看不出它的厚度，每条就像细线，仅仅只有一个维度。但假设可以靠近观察，就像从蚂蚁的角度去看，就能看到包裹着电缆的第二维空间。从蚂蚁的角度来说，不仅能前后走动，还能顺时针、逆时针走动。所以维度有两种表现形式，可以又长又平，就像电缆的长度，也可以是微小卷曲，就像包着电缆的圆弧。00:44:47,319 - 00:44:49,879卡鲁扎和克莱恩大胆假设，宇宙的结构，就像电缆的表皮。既有我们熟悉的三维空间，也有微小卷曲的维度。小到比原子还小几十亿倍，小到我们看不到它。认为我们生活在三维空间里的观念，可能不完全正确。可能我们生活的宇宙里，真的有很多看不到的维度。00:45:21,789 - 00:45:25,459那些额外维度是什么样子的？卡鲁扎和克莱恩认为，如果能缩小几十亿倍，我们就会发现，微小卷曲的维度，存在于宇宙每个角落。把蚂蚁缩小了几十亿倍，就能发现微小卷曲的圆形维度。认为处处都有额外维度的想法，就是弦理论的核心。事实上，弦理论的数学计算，要求不止增加一个维度，而是六个，交错纠缠成复杂的形状，就像这样。主持人：（手里拿纸卷，从眼前拿下）这么解释起来，倒是可以想象出，多出来的维度是什么样子了。但是，有四个维度，我们就已经可以过得很好了，干吗要多一个维度出来？世界上的万事万物，每一个存在都有它的道理。就像每只鸟都有一对翅膀两条腿，少了就会飞不起来，多了也不会有什么用处。那这个对我们来说，明显是多出来的，看起来没什么用处的维度，到底是用来干吗的呢？VCR：00:48:20,959 - 00:48:28,159我们的宇宙就像精密的仪器。科学家发现了20个数字，自然界的20个基本常数。这些数字，就像电子的重量、引力的强度、电磁力、强作用力和弱作用力的强度等，造就了如今宇宙的性质。只要将宇宙仪器，按照这20个数值精确设置，就形成了我们熟知并热爱的宇宙。而如果做哪怕很细微的改变，后果将不堪设想。比如，提高电磁力的强度，原子间的斥力会增大，使恒星发光的核熔炉就崩溃了，那些恒星包括太阳会消亡，我们所熟知的宇宙也将不复存在。到底是自然界的什么力量，使这20个常数如此精确？答案也许就是弦理论的额外维度。00:47:14,359 - 00:47:16,429根据弦理论