《從一到無窮大》人類創造的奇跡

經過億萬年的優勝劣汰,我們進化出高性能的感官。我們的眼睛能夠分辨果實是否成熟,我們的耳朵能夠聽到各種聲音,我們的皮膚能夠感知冷熱,我們的舌頭能夠嘗出酸甜苦辣咸。我們的感官讓我們可以看、聞、觸摸、品嘗和聽見我們所生活的環境。

這個世界是如此真實。然而種種跡象表明,我們感受到的并不是全部。

事實上,我們無法看見果實上的細菌,也無法聽見蝙蝠發出的超聲波,更無法用舌頭區分鹽酸和硫酸的差別。本能告訴我們,不要用手指去觸摸極熱或極冷的物體。對于我們來說,及時將手從極端環境中抽出,避免被燙傷或凍傷,比感知溫度差異重要的多。

時空扭曲現象
我們通過感官去感受世界,自然會受到感官的限制。也就是說,我們的“真實世界”,僅僅是建立在感官之上的感受而已。例如,我們的身體能夠感受到明顯的引力效應,卻無法察覺時空的彎曲;我們的心靈能夠感受到時間的流逝,卻無法真正理解時間的意義,以及時間與空間和物質的關系。

問題來了,時間是什么?

喬治·伽莫夫在科普書《從一到無窮大》中寫道:時間是物理世界中的第四個維度。每個物體都有四個維度,其中三個是空間維度,還有一個是時間維度。

喬治·伽莫夫《從一到無窮大》
我們生活在三維的空間內,第四維的概念常常蒙著一層令人疑惑的神秘色彩。作為被長度、高度和寬度所限的生物,我們哪兒來的膽量高談闊論四維空間。窮盡我們三維頭腦的智慧,是否有可能想象出四維空間的模樣?

一般情況下,我們可以將低維度空間視作高維度空間的投影,或者高維度空間的截面。想象一下:一維是一條直線,砍一刀,它的截面是一個點;二維是一個平面,砍一刀,它的截面是一條線;三維是一個立方體,砍一刀,它的截面是一個平面。

那么,什么東西砍一刀,從側面看它的截面是一個立方體呢?

喬治·伽莫夫的牛逼之處在于,提出了熱大爆炸宇宙學模型。137億年前,宇宙是由一個致密熾熱的奇點大爆炸后膨脹形成的。大爆炸不僅產生了物質和空間,還產生了時間和時間的起點。時間和空間構成四維時空,任何物質都可以看作一根在時間維度中不斷向未來延展的膠棒。

用二維平面代替三維空間,構建一個三維時空模型
現在假設,整個世界被上帝按下了暫停鍵,所有物質都突然進入靜止狀態,只有你可以自由移動。你移動身體,從不同角度觀察靜止世界中的某一物體,你所看到的所有影像的集合,就相當于這個物體在四維時空中的一個截面。

有一個非常有趣的四維時空理論。如果我們用坐標系來表達空間,它有x、y、z三個軸,時間是一根獨立于空間的軸,目前只有x軸,我們可以假設時間也有y軸,那么這個y軸代表什么含義呢?

在這個理論的基礎上,我們可以把時間的y軸定義為可能性,每一個平行于x軸的線都是一種可能性。在這些平行線中,你可能是商人、政客,也可能是廚師、清潔工、司機等等,這就是平行宇宙的由來。當然,這只是一個猜測,還沒有被證實。

如果時間的y軸是一個真實存在的維度,那么有比它更高的維度嗎?

高維空間的秘密就在我們身邊,它根植于微觀世界的盡頭。因為,那里是構建世界的本質所在,也是構建我們自己的本質所在。在那里,時間與空間,物質與能量,都發生了巨大的變化,已不再是我們日常所感知的形式。

RHIC對撞機可以將中子分解成夸克和膠子
在喬治·伽莫夫的時代,人們認識到原子并不是構成物質的最小單位,經過無數科學家的不懈努力,終于發現原子是由電子和原子核組成,原子核是由質子和中子組成,質子是由3個夸克組成。

那么,夸克是構成物質的最小單位嗎?

不是。

后來,科學家又發現了很多與夸克處于同一尺度的基本粒子,居然有62種之多。

再后來,一批優秀的科學家想出了一個令人腦洞大開的“弦理論”。

從原子到夸克,再到弦
弦理論認為,一維的弦是構成物質的最小單位。以不同模式振動著的弦,產生出人類已知的62種基本粒子,同時也產生出人類所處的現實世界。

弦理論如此引人矚目,是因為它能夠用一條規律來描述微觀世界與宏觀世界的四種基本作用力(電磁力、弱力、強力、引力),很有潛力成為統一量子物理學和廣義相對論的終極理論。

最新的M理論(1994年)建立在弦理論的基礎之上,宇宙中所有的物質和能量轉化,包括時間和空間的交互,都能夠用這個理論來解釋。霍金在《大設計》中指出,M理論可能是愛因斯坦窮極一生所追尋的“大一統理論”的最終答案。

M理論中的膜宇宙
M理論的核心內容是多維空間。我們的宇宙是一層十一維的膜,其中的七個維度被蜷縮到非常小的普朗克尺度,小到我們的感官無法察覺;剩下的四個維度中,一個是時間維度,還有三個是我們所能感知的空間維度。

盡管M理論已取得累累碩果,但是我們所窺見的只不過是冰山一角而已。

目前,M理論存在很多棘手問題。例如,缺少準確的數學模型,只能采用近似方程進行計算,其結果存在很大誤差;再加上難以理解的數學基礎,使一些不太擅長數學的物理學家望而卻步。

而且,M理論研究的是普朗克尺度下的微觀世界。以弦為例,假設原子和太陽系一樣大,那么弦的尺寸僅相當于地球上的一輛小汽車。弦實在是太小了,現在的實驗儀器是沒辦法觀測到它的,只能通過數學分析的方法,去證明它的真實性。

不同振動模式的弦
最深層的奧秘尚待揭示,世界的真面貌,仍然迷霧重重。所以,提出M理論的物理學家愛德華·威滕指出:為了充分了解它,需要發明新的數學工具。

其實早在1946年,喬治·伽莫夫就在《從一到無窮大》中告訴讀者:理論數學是科學家解釋物理世界的工具。很多停留在經驗主義階段的物理學理論,等待著最杰出的數學家去證明。

1968年,也就是喬治·伽莫夫去世的那一年,意大利科學家韋內齊亞諾發現了弦理論的雛形。時至今日,書中講到的相對論、四維時空、大爆炸理論等等,都不再是最前沿的物理學理論,M理論已成為物理學界的新寵。

但是,在這漫長的七十多年里,《從一到無窮大》卻從未過時。

從未過時的《從一到無窮大》
能夠創造這個奇跡,很大程度上歸功于喬治·伽莫夫的寫作方式。他著重介紹數學和物理的基礎內容,從人們習以為常的現象入手,運用數學分析的方法,帶領讀者發現放諸四海而皆準的客觀規律。這樣的思考方法和邏輯,是比知識更重要的東西,也是這本書歷久彌新的關鍵所在。

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