超弦屠龍統一場

2020-11-23 經濟觀察網

馮八飛

講了這麼長時間的愛因斯坦,我都老了。愛因斯坦也被我講老了。

愛因斯坦進入普林斯頓高級研究院時已經53歲,知天命之年。他退休了嗎?沒有!老愛伏櫪,志在物理,他正策劃一場比相對論更偉大的物理革命。

那麼,這場物理學革命是什麼呢?

統一場。

這裡需要列位看官知曉,愛因斯坦研究統一場並非臨時起意,這事兒開始於他獲得諾貝爾獎的1922年。作為世界物理學新教皇,新研究當然立刻成為世界焦點,廣大報刊斷言愛因斯坦一勞永逸解決了宇宙的所有問題。論文出版後一搶而空,再三加印。愛因斯坦對公眾的狂熱非常吃驚。他當然覺得統一場很牛,但畢竟這是物理學,又不是流行歌曲,賣這麼多要幹嘛?

此後幾十年,統一場是愛因斯坦惟一的科學工作,而相對論也就花了他十來年。統一場徹底迷住了愛因斯坦,它變成愛因斯坦與物理學界之間的一個巨大黑洞,任何信息都無法穿透。物理學界成年累月聽不到愛因斯坦的消息,有個朋友只好造謠:「愛因斯坦可能釣魚去了。」每次物理大會都為愛因斯坦保留上座,但他每次都缺席。

新聞界損失更大。他們平空失去了愛因斯坦這個取之不盡、用之不竭的超級八卦庫,只好自製噱頭譁眾取寵。《紐約時報》這麼嚴肅的報紙,居然有一天印了一整版數學家都看不懂的數學符號,然後鄭重其事地解釋:「愛因斯坦研究的統一場將涵蓋行星旋轉、光線飛駛、地球引力、鑽石光澤、鐳元素的不穩定性、輕的氫和重的鉛、通過線圈的電流、物質、能量、時間、空間。」其實《紐約時報》不算完全八卦,統一場真可能有這個本事。縱觀人類歷史,如果地球上真有個人能創立統一場,此人必是愛因斯坦。

愛因斯坦對這個決定的解釋令人噴飯。有次他和助手說,統一場這種研究總得有人來做,但年輕人不適合,因為它會毫不留情地吸光研究者的一生心血,而他反正已經功成名就,正好來幹這個活兒。1942年春,他致信醫生說:「我成了一個孤獨的老光棍兒,我之所以出名主要是因為出門不穿襪子。但我比過去更狂熱地工作,滿懷希望想解決我的老問題——統一場。」

按照愛因斯坦的想法,統一場成功,即可當場推翻量子論。相對論在研究微粒子世界時完敗給量子論,愛因斯坦始終沒服這口氣,他認為統一場可以無縫解釋微粒子世界,從而一勞永逸地擊敗堅持聲稱上帝在擲骰子打麻將的玻爾他們幾爺子。

想當年,愛因斯坦少年時的第一個奇想類似是:如果喊馮教授去追趕光線,結果會怎麼樣?

研究結果是狹義相對論。

他的第二個奇想類似是:如果香山索道的吊索斷了,一個索道車廂墜落,坐在裡面的馮教授會有什麼感受?

研究結果是廣義相對論。

廣義相對論帶給愛因斯坦無比壯麗的宇宙空間,於是他再度出發研究統一場。這是相對論的第三個階段。

他深信統一場能解決宇宙的一切問題。

研究統一場,關鍵點何在?

對愛因斯坦而言,統一場研究最大的挑戰是它需要極其複雜的數學計算。可愛因斯坦並非數學天才,所以當初他研究廣義相對論時需要老同學格羅斯曼的拔刀相助。可格羅斯曼已於1936年去世,因此,這回愛因斯坦只能靠自己啦。

說了半天,到底什麼是統一場呢?再次聲明,我說到底不過是一個業餘愛因斯坦愛好者,因此,說錯了不負刑事責任哈。

物理學上的「場」指的不是賭場或者殺豬場,這個「場」指的是有「力」在其中相互作用的空間。它不是物質,我們看不見,但它並非空無一物,也有重量和大小。愛因斯坦的「統一場」要統一的是通過「場」作用於物體之上的萬有引力和電磁力,即要說明這兩種力來自於同一種力。

同學們就會問了,八飛老師,研究這有啥用呢?用處大了。這樣可以統一宇宙!就是說,我們就能知道宇宙到底是什麼東西組成的。統一場理論裡,物質首先由電和磁組成,電和磁組成電磁波,還組成正負電子和原子核,然後組成原子和分子,再然後由原子和分子組成世界和宇宙。因此,統一場可以解釋宇宙的一切問題,包括宇宙的起源。

夠不夠震撼?

看官須知,按照咱們現在的知識,構成宇宙的最基本要素是空間和物質,時間只是物質運動的先後次序,它們理應是統一的。如果說宇宙有個中心點在運動,那宇宙必須跟著這個中心點運動,否則空間、時間和物質就無法統一,那宇宙就不存在了。

舉太陽係為例:太陽自轉,太陽周圍的空間就隨太陽轉動,9大行星說起來是圍太陽公轉,其實轉一個角度看,它們只是靜靜地鑲在太陽附近的空間上,我們覺得它們在公轉,是因為那個空間在圍著太陽運動。現在知道了吧?如果我們把太陽系這個空間看作整體,那太陽和9大行星都靜止地鑲在這個空間上,運動的是這個空間,而這正好符合能量守恆定律。

可牛頓理論在這裡恰恰與能量守恆定律矛盾,因此牛頓理論無法解釋地球為何自轉,牛頓只好說是上帝蹬了地球一腳,可現在絕大多數物理學家已經不信上帝了,所以牛頓理論無法拿上帝的腳說服他們。

簡單而言,統一場研究就是要把愛因斯坦時代人類已知的兩個基本的力——牛頓的萬有引力與麥克斯韋的電磁力——統一到一個數學框架中去。

列位看官,在物理學的研究歷史中,追求統一是主流道路,而且也多次成功:牛頓用萬有引力統一天地之間運行的萬物;麥克斯韋統一電和磁;愛因斯坦用質能互換公式E=MC2統一質量和能量。

因此,愛因斯坦認為萬有引力與電磁力也可以統一,這從物理研究來看十分正常。簡言之,愛因斯坦認為牛頓定律是相對論的一個部分,只適用於地球;而在統一場中,相對論也只是一個組成部分,統一場可以解釋宇宙的一切。

但是,直到愛因斯坦去世,統一場的研究都沒有成功。

這個沒成功不是愛因斯坦的責任,責任在宇宙,因為宇宙中並非只有引力和電磁力。就在愛因斯坦忙於統一場研究時,其他科學家又發現了宇宙還有兩種基本的力:「強力」和「弱力」。強力連接原子核,弱力生成放射性。愛因斯坦不知道這兩種力,所以他的研究沒成功很正常。

所以,如果有統一場,就意味著引力、電磁力、強力和弱力是統一的。

1967年美國物理學家溫伯格等以量子論為基礎統一了電磁力和弱力。後來,又有科學家提出「大統一理論」,成功統一了電磁力、弱力與強力。但要統一引力就沒這麼容易了,因為引力實在太弱,微粒子的質量幾乎等於零,所以引力的強度只有強力的100萬億億億億分之一,如果寫成阿拉伯數字,咱們連後面的零都數不清,引力接近無限小。當年愛丁頓觀測日全食,連太陽這麼大的星球,其引力造成的光線彎曲也微乎其微,必須要用照片來確認。再跟看官複習下,太陽等於130萬個地球!

愛因斯坦研究統一場的一個重要原因是想證明量子論錯誤。他的努力雖然不能說正確,但也確實有些道理,因為在後世所有的統一場研究中,量子論與廣義相對論始終怒目相向,典型的一山不容二虎,確實無法統一。但是,不怕賊偷就怕賊掂記著,什麼事兒也經不住這麼多科學賊天天沒日沒夜地掂記著,所以,後來終於出現了希望。

希望來自哪裡?

拋棄量子論!

大家知道量子論討論的是微粒子,但這些都是比較大的微粒子。後來有科學家們靈機一動去研究更小的微粒子,結果轉折出現了:粒子越小,能量越高。如果把一個微粒子控制在更小的空間內,粒子運動將加劇,引力開始增強,也就是說,在更小的微粒子之間,引力又回來了!這意味著,在更小的微粒子空間中,引力有可能與其它三種力統一。

前面說過,我們的時間和空間都有最小單位,最小的空間單位就是普朗克長度(10-33釐米)。這四種力終於統一了,統一在什麼地方呢?就是統一在普朗克空間!而且它運用的是普朗克能量。普朗克能量是最小能量單位,轉換成質量大約相當於22微克。這個質量在宏觀世界中連看都看不到,但在普朗克空間已算龐然大物。因此,我們說普朗克對物理學的貢獻很大,超過勞鶴,不是亂蓋的。

我是典型的文科男,以前總覺得科學理論超級枯燥。其實科學理論比最牛的美國科幻大片兒都精彩。我們平時覺得不精彩,是因為我們不懂,而絕大多數科學家也懶得給我們這些文科男女解釋。對於整天在理論高空飛翔的他們來說,要把相對論說得我們都能聽懂,無異於燒琴煮鶴,背山起樓,還不如直接殺了他們痛快些。

統一場研究非常精彩,結果亦超級驚人:在普朗克長度下,相對論與量子論這兩大物理理論雙雙宣告失效,一個更新的理論統一了相對論與量子論。

啥子理論?

超弦理論。

什麼是超弦理論?

話說此前我們一直認為基本粒子就是一個沒有任何內部結構的點,但1970年物理學家發現,在普朗克空間,即每個基本粒子裡面,都有一根兒細細的弦在振動,而正是這振動生成了數百種基本粒子和四種基本的力。這根弦細得可憐,即使用最精細的儀器測,它也顯得像個點,因此被稱為「超弦」。

超弦理論意味著數百種基本粒子全部統一到「超弦」上去了,這數百種基本粒子居然只不過是「超弦」的不同振動形式,而四種基本力都來自超弦空間。超弦讓基本粒子變成一個緊密的微小時空,宇宙中所有的巨大物理事件,包括宇宙大爆炸、黑洞與恆星死亡,都誕生於這個微小的時空之中!

夠不夠震撼?

然而,這還只是震撼的開始。

話說牛頓理論大行其道之時,咱們只知道三維空間,就是長、寬、高,後來愛因斯坦一棒子敲在咱們腦門上,同志們恍然大明白:還得加上時間。因此,咱們現在知道的是四維時空。

超弦時空有多少維?

最初的超弦時空有26維,否則它就要崩潰。愛因斯坦提出四維時空時,很多歐洲人都笑掉了大牙。現在居然有人提出26維!幸好這個理論很快就得到修正,否則歐洲就沒牙科了,因為所有的牙都笑掉了,大家都使牙床吃牛排。超弦理論很快修正到了10維空間。但它仍然顯得十分荒謬,所以直到1984年物理學家都認為它是個笑話。

不過現在卻已得到證明,我們確實生活在10維空間中,只是有6維緊緊蜷縮在一起,所以我們一般覺察不到。就像我們離很遠看一根兒水管,看見的是一根線,只有一維,但走近你會發現它還有個二維的橫截面,而這個橫截面的兩個維度是蜷縮起來的,從遠處看不見。6維蜷縮道理一樣,當我們把時空放大到普朗克長度時才會發現,原來我們認為只是時空中一個「點」的東西,原來是個6維小球。

1995年,美國物理學家威頓宣布超弦的10維實際上是11維時空。

11維時空,是我們現在對時空的最新認識。超弦研究還遠未結束。

超弦理論超越了相對論與量子論,但它證明愛因斯坦的統一場研究雖然不成功,其方向卻是正確的。因此,從科學上說,統一場現在等於鹹魚翻身。不過,對相當一部分愛因斯坦愛好者而言,統一場研究從未死亡。據俄羅斯《真理報》披露,愛因斯坦臨終前將其專著《統一場論》付之一炬,而且叮囑自己的女人們讓書灰跟他的骨灰一起消失。就是說,愛因斯坦已經完成了統一場研究,但他帯走了這一科學發現。聽著有點兒像偵探劇了吧?其實不是偵探劇,是殺人未遂案。

怎麼說?想當年美國用原子彈轟炸廣島和長崎,日本人死了一地,愛因斯坦深切自責。去世前不久他完成了統一場研究,赫然發現統一場理論可以用來製造新的毀滅性武器,一旦成功,原子彈在它面前不過是個土鞭炮!廣島長崎讓愛因斯坦明白,制止使用毀滅人類武器的惟一方法,就是不能把它製造出來。因此,他毅然帶走了統一場理論。

愛因斯坦愛好者們並不認為這是個傳說。他們有很多證據,最強有力的證據就是美軍的「彩虹計劃」。據說二戰結束前,美軍曾研究發射高強度磁場讓光波彎曲,從而讓敵人看不見美軍軍艦和飛機。愛因斯坦被授權進行這一研究。研究原子彈的叫「曼哈頓計劃」,而這個研究被稱為「彩虹計劃」。還據說,根據愛因斯坦的研究,美國軍方在費城港口進行了一場試驗。

1943年7月22日上午試驗開始,接通電源後強大的磁場產生一片綠霧將軍艦包圍,綠霧消失後大家驚奇地發現軍艦已經無影無蹤,不僅從雷達上消失,用肉眼也看不到。15分鐘後斷電,綠霧再度出現,當綠霧再次散去時,軍艦又出現在原來的位置上。不過,大家的歡呼聲還沒停止,船員們就發現自己分不清方向,而且還感到強烈的噁心。

1943年10月28日17:15,彩虹計劃的第二次、也是最後一次試驗開始。通電後軍艦幾乎隱形,只能依稀看到輪廓,之後,一道炫目的藍光閃過,軍艦完全消失,更不可思議的是,幾秒鐘後它竟出現在幾英裡之外的諾福克港口。幾秒鐘後,它又神秘地在諾福克港口消失,重新回到費城港口。這次試驗後結果更令人觸目驚心:多數船員感到劇烈噁心,有人喪失時空感,有人發瘋,有人就此消失。

「彩虹計劃」現在沒定論,不少人將之視為傳說。美國海軍當然矢口否認,但美國官方的否認根本不可信。他們還一直否認存在研究外星人的51區,可前段時間還承認了呢。相信這個實驗存在的人說「彩虹計劃」讓愛因斯坦發現,「統一場」方程式可以扭轉時間和空間,這可能會擾亂時空規則,如果將其用於軍事,足以毀滅地球。原子彈的發現已經讓愛因斯坦悔之莫及,而統一場的發現肯定將讓世界消失,所以愛因斯坦下決心帶走了統一場。

無論「彩虹計劃」是否真的存在,如果愛因斯坦發現統一場研究確實可能被發展成毀滅性武器,我相信他定會燒掉手稿。

2000多年前中國有個人叫朱泙漫,他變賣全部家產去跟著名的武士支離益學習屠龍術,花了三年辛辛苦苦學會了,提刀四顧,才發現無龍可屠。記下這個故事的人是莊子,屠龍術因此被當作好高騖遠好的典型嘲笑了2000多年。

其實,相對論、量子論、超弦理論,研究的就是屠龍術。一生專注屠龍術的愛因斯坦,從青年時期就給自己立下了兩條規則,第一條是:「不要任何規則!」第二條是:「永遠不受別人意見支配!」

列位看官,愛因斯坦研究的「理論物理學」與一般物理學不同。物理學講究以實驗結果來驗證假設,而理論物理學研究不做實驗,沒有實驗室,沒有大型對撞機。因為我們根本無法造出光速飛船,也無法造出能讓兩個恆星對撞的實驗室,或者真正「看見」黑洞。理論物理學就是推測,等於白日做夢。牛頓、愛因斯坦,包括在世的英國的霍金,都是理論物理學家。否則,像霍金這樣癱瘓到只有眼球能動的殘疾人,如何完成驚世雄文《時間簡史》。

其實,我們每個人都能成為愛因斯坦,只要我們堅持「愛二條」。任何把成功歸於天才的人,其實都是不敢成功的怯懦者。他不敢相信自己也是天才!任何人堅持「愛二條」,總有一天,都會發現,他,也是一柄獨步天下的屠龍劍!

自由主義哲學家伯林有一次說:「很少有人知道其他天才物理學家們長得什麼樣。但是,所有的人都認識愛因斯坦。」

為什麼?

所有的人都知道愛因斯坦,是因為相對論。所有的人都認識愛因斯坦,卻因為他是「最好的人」。

雖然他站在我們無法企及的宇宙高處,可他卻扛住了比銀河系還要沉重的壓力,拒絕變成屠戮眾生的科學惡魔或者萬眾膜拜的科學獨裁者。他永遠是我們身邊的普通一員,那個住在後院兒、脾氣溫和、出太陽也拿把雨傘、因為整天琢磨事兒而多少有點兒神叨的花發蓬飛的二大爺。

我們不僅崇拜愛因斯坦,我們還愛他。

愛,永遠都不會老。

可是,在咱們這個時空,每個人都是要老的。而且,每個人都是要死的。包括愛因斯坦。

那麼,愛因斯坦是怎麼死的呢?

欲知後事如何,且聽下回分解。

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