加来道雄《神的方程式》 描述宇宙 避开大道理与方程式

欧洲核子研究中心位于日内瓦的这台大型强子对撞机在10年前发现了希格斯玻色子。强子对撞机最近完成升级,即刻投入新的四年计划,利用破纪录的13.6兆电子伏特的能量,希望能撞击出新科研发现。(法新社)
欧洲核子研究中心位于日内瓦的这台大型强子对撞机在10年前发现了希格斯玻色子。强子对撞机最近完成升级,即刻投入新的四年计划,利用破纪录的13.6兆电子伏特的能量,希望能撞击出新科研发现。(法新社)

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美国物理学家、弦论研究者加来道雄(Michio Kaku)新著作《神的方程式:对万有理论的追寻》面世,他在书里从物理学历史上一个个寻找万有理论的重大事件讲起,最后以他所研究且深信的弦论作结。本地科普工作者冯俊源与记者一起为读者导读这本书。

从牛顿的万有引力、爱因斯坦的相对论,到当代弦论与回圈量子重力论的大辩论,物理学家穷极生命寻寻觅觅的,就是一套能够解释宇宙万物的理论与方程式。

物理可以是我们的生活日常,也可以是形而上的哲学思辨,当然也就不是三言两语能够道尽的。

本地科普工作者、新加坡理工学院讲师冯俊源认为科普最难的是如何用有限的语言描述新知识甚至是未知的领域。(张荣特约摄影)

趁着美国物理学家、弦论研究者加来道雄(Michio Kaku)著作《神的方程式:对万有理论的追寻》(时报出版社)繁体中文版面世,我邀请到本地科普工作者、目前任教于新加坡理工学院的冯俊源一起读这本科普书,帮助一般读者了解物理学家的理想与当前学界关注的一些课题。

明星科学家

加来道雄是纽约市立大学物理学教授,他除了致力研究超弦理论,也从事科普工作,主持电台、经常出现在电视与网络节目,也撰写了《穿梭超時空》《平行宇宙》《2100科技大未來》《2050科幻大成真》及《离开太阳系:移民火星、超人类诞生到星际旅行,探索物理学家眼中的未來世界》等备受欢迎的科普读物。

美国物理学家加来道雄是弦论的拥护者。(档案照)

加来道雄不愧是叱咤媒体的明星科学家,新书的题目就够耸动:神的方程式在英文原文里,直译其实是上帝方程式,仿佛唯一真理。

在《神的方程式》里,加来道雄从物理学历史上一个个寻找万有理论(Theory of Everything)的重大事件讲起,最后以他所研究且深信的弦论(String Theory)作结。

加来道雄科普著作《神的方程式》。(张荣特约摄影)

对我来说,这本书简单好读,尤其通过科学家的故事,可以比较友善地进入一些物理理论。正好最近在看《怪奇物语》,第三季最后主人翁要解开苏联地下密室密码的时候,用到了普朗克常数,因此阅读《神的方程式》看到普朗克开创量子理论的故事,精神就为之一振。

普朗克常数等于6.6乘以10的负34次方焦耳-秒。

牛顿的重力理论、运动定律改变了人们看世界的方法。(档案照)

热爱方程式的加来道雄写道:“倘若我们让普朗克常数逐渐逼近于零,量子理论的所有方程式都会转变成牛顿的方程式。(这就表示,当我们手动设定普朗克常数为零,次原子粒子那种经常违背常识的古怪行为,就会逐渐转变成为我们熟悉的牛顿运动定律。)这就是为什么我们在日常生活很少看到量子效应。就我们看来,世界似乎非常向牛顿样式偏斜,因为普朗克常数是非常小的数值,而且只影响次原子层级的宇宙。”

接着加来道雄谈广义和狭义相对论、谈太空谈黑洞,然后在本书第六章开始阐述弦论,我就开始脑袋发昏了,还好老友冯俊源出手相助。

弦论认为粒子是条状的

冯俊源说,这本书对物理学初心者来说相当友善,加来道雄描述宇宙,但没有讲太多大道理,没有列出让人敬畏的方程式。不过最后聚焦弦论,有点为自己的学派打广告,至于对弦论的死对头回圈量子重力论(Loop Quantum Gravity),只是轻描淡写。

什么是弦论?

冯俊源指出,物理学本来认为重力(关于极大质量物质,如恒星)和量子理论(关于极小质量的事物,如基本粒子)并不兼容,弦论的提出是为了要串联重力和量子理论,以一套新的理论完整描述宇宙中大大小小的事物。

冯俊源说,我们普遍认识的粒子,如质子、中子、电子,表现起来,都被画成一粒粒小球。但弦论认为这些粒子其实不是球体,而是一条条弦,由于这些弦的振动频率不一样,所以表现出来也不一样。这也就是说,万物都是弦。再打个比方,我们按钢琴键,A是A,B是B,C是C,但它们其实都是琴弦振动的结果,只是频率不一样,最后听起来的结果就不一样。

冯俊源开玩笑地说:“可能有一天我的振动频率跟你一样,我就变成你了。恐怖吧?”

不过弦论最大的问题是科学家还没找到实验来具体证实弦论。

冯俊源是实证主义者,他引伽利略的话说:“一切推理都必须从观察与实验得來。”

意思是不要单纯接受任何学说,应该要了解背后的逻辑,看看理论是否经得起实验考证。

看世界的方法

弦论只能存在于十个维度,而我们生活在一个三维的空间里,加上时间向度,一共四个维度。对此加来道雄写道:“倘若弦论是正确的,那么宇宙说不定原本是十个维度的。然而宇宙并不安定,这其中六个维度也因故收卷起来,于是它们都变得太小,观测不到了。因此,我们的宇宙有可能实际上是十维度的,然而我们的原子太大了,没办法进入这些微小的较高维度。”

加来道雄承认弦论带有疯狂特性,但它却成功媒合了物理学界两大理论:广义相对论和量子理论。

尽管目前无法测试,但加来道雄指出,许多理论都是通过旁敲侧击的方式意外发现,那么弦论很可能可以通过寻找宇宙暗物质、暗能量来找到突破口。

另一个希望则在新型粒子对撞机,通过超高能量让粒子对撞,试图找出组成物质的最小单位。

对冯俊源来说,物理到最后,就是“看待世界的另一种方法”。他说:“美国科学家卡尔·萨根(Carl Sagan)说,科学不是背东西,而是一种思考方式。事物应该是可以被测试、证实、量化的。‘Show me how it is done’(让我看看结论从何而来)。我觉得如今我们大人的世界反倒缺乏这种精神。”

弦论有其局限,因而被死对头回圈量子重力论家批评。

回圈量子重力论认为空间是可以被分割至最小单位的。冯俊源说,空间里的作用力是通过这些最小单位之间的锁链传递。这套理论最重要的一点是,媒合了重力与量子力学。

科普工作的挑战

冯俊源坦言,物理很难科普,因为有时候只可以较粗浅去描述,一旦讲得越深,外行人听起来就会感觉物理像宗教。

此外,人人都有成见,最有名的例子就是地平说的信仰者,无论你拿出多少证据他们仍不会相信。

在资讯碎屑化、资讯爆炸的年代,科普工作者有时候也不得不以浮夸的方式吸引眼球,但最后可能不得要领。

冯俊源说:“科普最难的是,我们的语言和表达是有限的。我们只能用简单表达方式讲述我们从未经验过的事物,不仅要展现这个理论多奇妙,同时也要让大家知道它的局限在哪里。”

理论不断翻新

物理学界最前沿的理论相当分裂,各有各的哲学,一切有待时间来证明。古往今来一个理论推翻另一个理论,一个理论证明了另一个理论,文明发展便是在摆荡中慢慢前进。

100年前爱因斯坦提出相对论,科研工作至今仍从中获益。(档案照)

加来道雄相信万有理论的存在。物理学家在寻找万有理论的时候推进了科研的发展,事实上也造福了人类。无论弦论最终成功与否,历史上从牛顿、爱因斯坦、普朗克到当代的科研工作者,大家前仆后继,改变了人们认识世界的方式。

最后用加来道雄的文字作结:“万有理论不单只是漂亮的数学理论。到最后,它有可能是我们的救赎。”

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