宇宙紀錄片合集（共162集） P152 - 優雅的宇宙02弦學說的由來和進展

現在 在NOVA節目中 來一趟驚險旅程 進入一個比科幻小說還要離奇的世界 在這裡你必須打破一些規則才能玩這個遊戲 一個全新的宇宙觀點將你推至超乎你最狂野幻想的極限 這是弦理論的世界 一種 描述所有力量與物質的方式 從原子到地球 到星系的盡頭 從時間的誕生到最後一瞬 在一個理論中 萬有理論 我們探索這個勇敢新世界的 指南是布萊恩·格林 一位暢銷 書作家兼物理學家 不管我來這裡多少次 我似乎永遠無法習慣 他能幫助我們解決現代物理學最大的謎題嗎 我們對宇宙的認識是建立在兩套不一致的定律之上 解決這個矛盾連愛因斯坦都未能成功 他將其視為最後的追求 數十年後 我們或許終於即將迎來突破 解決方案是弦 像大提琴琴弦般震動的微小能量片段 宇宙萬物核心的一場交響樂 但是這需要付出代價 平行宇宙與十一維空間 其中大部分是你從未見過的 我們確實可能生活在一個比眼睛所見更多維度的宇宙中 認為空間有額外維度的人被 稱為怪人 或神經不正常的人 這是一種科學與數學的幻象 或是萬物理論的最終答案 如果弦理論無法提出可驗證的預測 那麼就沒有人應該相信它 這是一門物 理學理論還是一種哲學 可以確定的是 弦理論已經開始啟示我們一些事情 宇宙可能比我們任何人所想像的都要神秘許多 今晚即將播出 我們意外發現了弦理論 一個革命性想法的謙遜起點 我完全相信它會寫著： 蘇斯金是下一個愛因斯坦 這在人們看來很瘋狂 我感到沮喪 我並不快樂 我回家後喝醉了 沉迷驅使科學家追求物理學的聖杯 但他們是否已經準備好面對他們所發現的事物 走進這個優雅宇宙的荒謬世界吧 這是一個鮮為人知的祕密 但超過半個世紀以來 一層陰影一直籠罩在現代科學之上 問題在於 我們對宇宙的認識建立在兩種獨立的理論之上 其中一種是愛因斯坦的廣義相對論 它是一種理解宇宙中最大事物的方式 例如恆星和星系 但宇宙中最小的事物 原子和亞原子粒子 遵循一套完全不同的規則 稱為量子力學 這兩套規則在其各自領域中都極其精確 但每當我們試圖將它們結合起來 解決宇宙中一些最深奧的謎題時 災難就會降臨 宇宙的開始 大爆炸 在那一瞬間 一個微小的塊體猛烈爆發 在接下來的140億年裡 宇宙擴張並冷卻 形成了我們今天所見的恆星、星系和行星 但如果我们把宇宙的影片倒著播放 現在正彼此遠離的一切都會重新聚集在一起 因此 宇宙變得更小、更熱、更密集 我們正朝時間的起點前進 當我們來到大爆炸時 當宇宙既極其沉重 又異常微小時 我們的投影機出現了故障 我們兩條物理定律 當結合在一起時 就會失效 但是 如果我們能夠將量子力學與廣義相對論統一起來 並完整地 觀看宇宙的影片呢 一種稱為弦理 論的新觀念 可能能夠做到這一點 如果正確的話 這將是 科學史上最大的巨作之一 有一天 弦理論可能能夠解 釋整個自然現象 從物質最 微小的部分到宇宙最遙遠的邊界 僅用一種單一的原料 微小且震動的能量絲線 稱為弦 但是我們為什麼必須改寫物理定律才能實現這一點呢 為什麼我們現有的兩條定律不相容會那麼重要呢 嗯 你可以這樣想 想像你住在一個由兩套相互衝突的交通法規所統 治的城市裡 正如你所看到的 這會相當令人困惑 要理解這個地方 你必須找到一種方法 將這兩 套相互衝突的法律整合成 一套邏輯自洽的全面法規 我們假設世上存在一種理論 而我們的責任 只要 我們足夠聰明且足夠勤勉 就是找出它究竟是什麼 我們無法保證 命運並未註定我們會成功 但最終 我們希望能夠 有一個統治一切的理論 但在我們能找到那種理論之前 我 們需要進行一次奇妙的旅程 去了解 為何我們所擁有的 兩套定律會互相衝突 這段奇特旅程的第一站是…… 是巨觀物體的領域 描述宇宙的大尺度結構時 我們使用一組定律 即愛因 斯坦的廣義相對論 這是一 種解釋重力如何運作的理論 廣義相對論將空間描繪成類似於彈 簧床的平滑織物 重大的物體如恆 星和行星可以使其扭曲和拉伸 現在 根據該理論 這些扭曲和曲線 我們所感受到的重力其實就是 物體間的引力 這種引力使地球 圍繞太陽運行 其實不過是地球 沿著空間的曲線和曲面運動罷了 那太陽在空間結構中所創造的 但由廣義相對論法則預測出 的平滑、緩慢彎曲的空間圖像 並不是全部的故事 要理解極小尺度上的宇宙 我們必須使用另一套法則 即量 子力學 正如我們將看到的 量子力學描繪出一幅空間的圖景 它與廣義相對論如此不同 讓人覺 得它們描述的是兩 個完全獨立的宇宙 要觀察廣義相對論與量子力學之間的衝突 我們需要將自身縮小到極其微小的尺寸 當我們離開巨觀世界 邁向 微觀領域時 那個一切事物都 按部就班的空間圖像開始被一 種具有結構的全新世界所取代 那要確定得多 如果我們持續縮小 變 得比物質最微小的碎片 原子以及其中的微小 粒子還要小數十億倍 微觀世界的定律 量子力學指出 空間的結構會變得不規則且混亂 最終 我們來到了一個如此動 盪的世界 它超越了常理 這裡 空間和時間如此扭曲變形 常規的左右概念也已不再適用 上上下下 即使在之前和之後 也必須拆解 我無法確定我是否真的來到了這裡 或是在這裡 或同時 在兩個地方 或者可能我在來 到這裡之前就已經來到了這裡 在量子世界中 你無法將一切事物都固定下來 這是一個本質上狂野而活躍的地方 量子世界中的法則 與我們習慣的法律非常不同 這令人驚訝嗎 為什麼微觀世界在原子層次上會如此呢 那個世界為什麼要遵循我們 世界中蘋果與橘子、在街上行走所 慣用的規則和法律呢 那個世界 又為什麼會以相同的方式運作呢 量子力學所預測的時空 波動不穩定圖像 與廣義 相對論所描述的平滑有 序幾何時空模型直接衝突 但我們認為 從亞原子粒子的狂亂舞 動到星系的壯麗旋轉 所有事物都應由 一個偉大的物理原理來解釋 一個萬 能方程式 如果我 們能找到那個方程式 那麼宇宙真正運作的方 式將會最終 被揭示 你瞧 我們需要的是一種能夠應 對極小與極大事物的理論 一個能夠同時包容量子力學與廣 義相對論 且永 遠不會失效的理論 對物理學家而言 找到一個 能統一廣義相 對論與量子力學 的理論是聖杯 因為該架構 將給我們一個單一的數學理論 那描述統治我們宇宙的所有力量 廣義相對論描述了其中最為人熟知的力量 即重力 但量子力學描述了其他三種力量 強核力 那是使質子和中子在 原子內部結合的力量 電磁學 產生光、電力 和磁力吸引 還有弱核力 那是導致放射性衰變的力量 宇宙中的一切事件 從 原子的分裂 到恆星的誕生 不過是這四種力量與 物質相互作用的結果 愛因斯坦花了人生最後的三十年時間尋 找一種能以單一理論 描述自然力量的方法 現在 弦理論可能 實現他統一的夢想 幾個世紀以來 科學家一直將 自然的基本成分——原子及其 內部更小的粒子——描繪成 微小的球體或點 但弦理論聲稱 在每一件物 質的中心都有 一條微小、震動的能量弦 稱為弦 而新一代的科 學家認為這些微小的弦 是將大規模世界與小規 模世界統一於單一理論 的關鍵 科 學理論的想法 我們手中已經擁有 可以回答最基 本問題的理論 極其誘人 在大約兩千年來 我們所有的物理學 基本上 都是建立在…… 基本上 我們談的是 撞球「弦」這個概念 之所以是一種范式轉變 是因為你不再使用撞球 而是必須使用細小的意大利麵條 但並非所有人都對這新理論著迷 到目前為止 還沒有設計出任何實驗 可以證明這些微小的弦確實存在 讓我直說吧 有一些物理學家 而且有弦理論學者 這是一門新學科 你可以稱之為一種新興的腫 瘤你可以隨便稱之為什麼 他們專注於實驗 無法回答的問題 這些弦理論學 者會否認這一點 但這是一種尚未能 驗證的物理學 它並未做 出與實驗有任何關聯的預測 這可以在實驗室中完成 也可以在太空中進行觀察 或 從望遠鏡中進行觀察 而且我自小就被教育相信 我 仍然相信 物理 是一門實驗科學 它處理實驗的結果 或者在天 文學的情況下 則是觀察結果 從一開始 許多科學家認為弦理 論簡直是太過離奇了 誠實來說 這理論以一種奇特的方式發展 在 一連串的曲折、轉折與意外中演變 只讓這件事看起來更不可能 事實上 連它的誕生都被神話化了 據說是這樣 在1960年代末 一位年輕的 義大利物理學家加布里埃爾·維尼齊 亞諾正在尋找一組方程式 以解釋 強核力 這是一種 極其強大的黏合劑 那種力量將每個原子的原子核緊緊結合在一起 將質子與中子結合 據說 他偶 然發現了一本 關於數學歷史的塵封書籍 而在其中 他發現了一個兩百年前的方程式 最早由一位瑞士數學 家莱昂哈德·歐拉所提出 維內齊亞諾驚 訝地發現 歐拉 方程式長久以來被認為僅僅是 數學上的奇觀 似乎能夠描述強力 他迅速發表了一篇論文 而且從此以後聲名大噪 因為這是一 次意外的發現 我偶爾在書中看到有 寫這個模型是偶然發明的 或者是在 數學書中發現的 這讓我感到很不舒服 事實上 這個功能 是多年工作的成果 而我們意外地 發現了弦理論 然而無論如何被發現 歐拉方程式 這一個奇妙 地解釋了強力的方程式 都開始有了自己的生命 這標誌著弦理論的誕生 從同事之間傳遞到另一位同事 歐 拉方程式最終出現在一位年輕美國物 理學家的黑板 上萊昂納德·蘇斯金 德直到今天 我仍然記得這個公式 這個公式是…… 我看著它說 你知道 這太簡單了 連我都能看出這是什麼 蘇斯金德退到他 的閣樓裡進行研究 他明白這個古老的公式從 數學上描述了強力 但在抽象 符號之下 他瞥 見了某種新事物 我試著調整它 我反覆地修改它 我坐在我的閣樓裡有時思考 有時停下來 持續了兩個月 但在我眼中 最先看到的東西 它描述的是一種具 有內部結構的粒子 可以震動 可 以做很多事情 而不僅僅是點粒子 我開始意識到這裡所描述的是什麼 它是一條有彈性的繩子 像橡皮筋一樣或者像被剪 斷一半的橡皮筋 這條橡 皮筋不僅能伸縮 還能扭動 而且 令人驚奇的是 它完全符合這個公式 當時我非常確定 我是 世界上唯一 知道這個的人 蘇斯金德寫下了他的發現 引 進了弦理論這個革命性的概念 但在論文得以發 表之前 必須經 過專家小組的審閱 我完全相信 當它回來時 它說蘇斯 金德是下一個愛因斯坦 或許甚至是下一個牛頓 而它回來後 確實這樣說了 嗯 這篇論文不是很好 應該不會被發表 我真的驚訝得從椅子上跌了下來 我感到沮喪 我感到不快樂 我為此感到傷心 它讓我變得神經質不堪 結果是我回家後喝得爛醉 當蘇斯金德為他那大膽想法被拒 絕而悲傷時 弦 理論似乎已經死了 同時 主流科學 界將粒子視為點 而非弦 數十 年來 物理學家 一直透過以高速 碰撞微觀粒子並 研究這些碰撞來 探索粒子的行為 在產生的粒子陣雨中 他們發現大 自然遠比他們 想像的還要豐富 每月 都會有發現新粒子的發現 霍姆森粒子、歐米伽粒子 B粒子 B1粒子 B2粒 子菲粒子、歐米伽粒 子使用的字母數量比大多數字母表中的字母還要多 這是一場粒子的爆發性增長 那是研究生們 會跑過物理大 樓的走廊 說 他們發現了另 一種粒子 它符合理論 這 一切都非常令人興奮的時代 在這個新粒子的動物園中 科 學家們不僅發現 了物質的構建塊 遠遠拋開弦理論 物理學家們做 出了一個令人驚訝且奇特的預測 自然的力量也可 以用粒子來解釋 現在 這是一個非常奇怪的想法 但這有點像一種接球遊戲 在這遊戲中 像我這樣的玩 家 和我 都是物質的粒子 我們來回傳遞的是一 個能量粒子 這被稱為 媒介粒子 例如 在磁 力的情況下 即電磁力 這顆球將會是一顆光子 越多這些傳訊粒子 或光子在我們之間交換 磁力就會越強 而科學家預測 正是這種傳訊粒子的交換 那創造了我們所感受到的力 實驗證實了這些預測 發現了傳遞電磁 力的媒介粒子、強 力和弱力的媒介粒子 並利用這些新發現 的粒子 科學家們正 逐步接近愛因斯坦統一各種力量的夢想 粒子物理學家推論 如果我 們倒帶宇宙的影片 回到大爆 炸後的瞬間 約140億年前 當時宇宙的溫度高達數兆度 電磁力與弱力的傳遞 粒子當時是 無法區分的 就像冰塊在陽光下融化成 水一樣 實驗 顯示當我們倒 帶到大爆炸的極熱條件時 弱力和電磁力會融合並統一 成為一種稱為電弱力的單一力量 物理學家認為 如果將 宇宙的影片再倒帶一些 電弱力會與強力合併 成一種偉大的統一力量 儘管這仍有待證明 量子力學 成功解釋了其中三種力量在亞 原子層次的運作方式 突然之 間 我們有了一个一致的理論 粒子物理學 這讓我們能以相同的 語言描述所有相互作 用弱力、強力和電磁力 這一切都有道理 而且都寫在教科書裡 所有事物都趨向 於一個簡單的圖像 即已知的粒子和力的圖像 這個圖像最終被稱為標準模型 我想我就是給它這個名字的人 物理學教授謝爾登·格拉肖、阿卜杜斯·薩拉姆與史蒂文·溫伯格 標準模型的發明者 無論 是名稱還是理論 都是科學 界推崇的對象 獲得了諾貝 爾獎之後又獲得了諾貝爾獎 但背後卻有一個明顯的缺失 雖然標準模型解釋了支 配微小世界中的三種力量 它並未包含最常見的力 重力 在標準模型的陰影下 弦理 論成為物理學的一個冷門領域 我們社群中的大多數人完 全失去了對弦理論的興趣 他們說 好吧 那是一個非 常優雅的事情 但與自然無關 這並未受到大多數學術界認真對待 但弦理論的早期先驅們 他們深信自己能嗅到現實 並持續追求這個想法 然而 這些固執的科學家越深入研 究弦理論 發現的問題就越多 早期的弦理論存在許多問題 其中一個是它預測了一種我們知道不存在的粒子 這被稱為快子 一種比光速還快的粒子 有個發現指出這個理論需要十個維度 這當然令人不安 因為明顯地 那比實際存在的還要多 它具有無質量的粒子 這在實驗中並未被觀察到 因此這些理論似乎沒有意義 這對人們來說似乎很瘋狂 基本上 弦理論並未取得進展 人們感到無可奈何 說這不可能是正確的 到1973年 只剩下少數年輕物 理學家仍在努力解決弦理論的晦 澀方程式 其中一位是約翰·施瓦茨 他正忙於解決弦理論的眾多問題 其中 一種理論預測但從未在自然 界中觀察到的神秘無質量粒子 以及 各種異常或數學上的不一致之處 我們花了很多時間試圖調整這個理論 我們嘗試過各種方法來設定 這個維度 去除這些無質量粒 子和超光速粒子等等 但總是看起來很醜陋且說服力不足 史瓦茲花了四年時間試圖規範弦 理論的不穩定方程式 不斷地 改變、調整 以不同方式結合與重 新組合它們 但 什麼方法都行不通 在即將放棄弦理論之際 施瓦 茨靈光一閃 或許他的方程式是 在描述重力 但這意味著必須重 新考慮這些微小能量絲線的大小 我們在那之前並沒有考慮過重力 但是一旦我們建議我們可能應該處理重力理論 我們不得不徹底改變對這些弦大小的看法 通過假設這些弦比原子小一百億億倍 其中一個理論的缺點反而成為了優點 約翰·史瓦茨一直試圖擺脫的神秘粒子 現在看起來竟然是一種重力子 長期以來被認為在量子層次傳遞重力的粒子 弦理論解決了標準模型中缺失的拼圖 舒瓦茨提交了一份具有突破性新理論的論文 闡述重力在 亞原子世界中的運作方式 這 對我們來說顯而易見是正確的 但社區內實質上毫無反應 一次又一次 弦理論被視為無聲的呼喊 但施瓦茨不會被嚇退 他已經瞥見了聖杯 如果弦理論能在量子層次描述重力 它們必定是統一四種基本力量的關鍵 他在這項探索中得到了另一位僅次於他的 科學家麥克·格林的加入 他同樣願意 為弦理論冒職業生涯的風險 從某種意義上來說 我想我們內心有著一種安靜的自信 可以說弦理論明顯是正確的 而且在那個時候人 們是否看到它並沒有太大關係 他們之後會看到的 但格林的自信要得到驗證 他和施瓦茨必須面對在 1980年代初期 弦理論 在數學上仍存在致命的缺陷 被稱為異常現象 異常就是字面上的意思 它是指某種奇怪或不協調的事物 一種不屬於那裡的事物 現在 這種異常只是有點奇怪 但數學上的異常可能對物理理論造成災難 它們有點複雜 所以這裡有一個簡單的例子 假設我們有一個理論 其中這兩個方程式 描述我們宇宙的一種物理性質 現在我解這裡的這個方程式 發現 x 等於 1 而如果我解那裡的這個方程式 發現 x 等於 2 我知道我的理論有異常 因為x應該只有一個值 除非我能修改我的方程式 使兩邊的x值相同 否則 這理論已經過時了 在1980年代初期 弦理論充滿了類似這 些的數學異常現象 儘管方程式要複雜得多 該理論的未來取決於消 除這些致命的不一致之處 施瓦茨和格林在弦理論的異常問題上奮戰五年後 他們的成果在1984年 夏天的一個深夜達到了頂峰 人們普遍認為這些理論必定存在矛盾 因為有異常現象 說實話 並沒有什麼真正的原因 我只是覺得那一定是錯的 因為我覺得弦理論一定是正確的 所以不可能有異常現象 於是我們決定必須計算這些東西 令人驚訝的是 一切最終都歸結於一個計算 在黑板的一邊 他們得到了496 如果在另一邊也得到相同的數字 那將證明弦理論沒有異常現象 我記得有一次約翰·史 瓦茲和我在黑板前討論 並算出這些必須吻合的數字 它們必須完全一致 我記得當時跟約翰·史瓦茲開玩 笑因為雷聲隆隆 閃電交加 當時 阿斯彭上空有一座巨大的暴風雨山 我記得我說過類似的話 你知道 我們一定已經接近了因為神明正試圖阻 止我們完成這項計算果然 他們成功了 這組對應的數字表示該理論沒有異常之處 而且具 有足夠的數學深度 能夠涵蓋所有四種基本作用力 因此我們不僅認識到弦可以描 述重力 還可以描述其他力 因 此我們用統一的觀點來談論 並認為這是一個實現夢想的可能 愛因斯坦在晚年時所表達的 是希望能在 某種更深刻的架構中統合各種不同的力量 我們感到非常興奮 那是個非凡的時刻 因為我們意識到沒有其他理論 曾經成功做到過這一點 但現在 這就像狼來了 每次我們做了一些事情 我認為大家一定會很興奮 但他們 並沒有 所以我認為 到現在為止 我不會期待有太大的反應 但這次的反應卻異常激烈 不到一年的時間 弦理論家的人數 就從寥寥無幾暴增至數百人 到那一刻為止 我曾經在某個小 型會議上發表過五分鐘的演講 是我在該主題上最長的一次 然後突然之間我被邀請到世界各地演講 演講與講座等 弦理論被稱為萬有理論 1984年初秋 我來到牛津大 學開始攻讀物理學的研究生課程 幾個星期後 我看到一張關於邁克爾·格林演講的海報 我不知道他是誰 但這也沒關係 我確實什麼人都不認識 但是演講的標題大概是《萬 有理論》 我怎麼能不聽呢 這個優雅的新版本弦理論似乎 能夠描述自然的所有基本構成 這裡是方法 每粒沙子裡面都包含數十億個微小的原子 每個原子都由更小的物質組成 電子圍繞著由質子和中子組成的原子核運轉 這些都是由更小的物質單位稱為夸克所組成的 但弦理論認為這並不是終點 它提出了驚人的主張 即構成宇宙中一切物質的粒子 它們是由更小的成分組成的 一些微小、扭動的能量絲線 看起來像琴弦 這些字串小得難以置信 事實上 如果一個原子被放大到太陽系的大小 一條字串的大小只會像一棵樹那麼大 這裡的關鍵概念是 單一的大提 琴琴弦的不同震動模式或頻率 會 產生我們所聽到的 不同樂音 同樣地 弦的不同震動方式也是一樣 給予粒子獨特的性質 例如質量和電荷 例如 構成你我的粒子 與傳遞重力及其他力量的 粒子之間的唯一差異 就 是這些微小弦的震動方式 由無數這些震動的弦組成 宇宙 可以被視為一場宏大的宇宙交響樂 這個優雅的想法解決了我們在亞原子 尺度上對空間不穩 定且難以預測的觀點與在大尺度上我們對空間平滑的觀點 之間的衝突 這是量子理論的不穩定性 與愛因斯坦廣義相對論的溫和 性相比 這使得將二者結合起來 變得如此困難 無法將它們縫合在一起 現在 弦理論所做的 它出現後 基本上平息了量子力學的不安 它透過採用點粒子的舊觀念 並將其擴展成一根弦來實現 所以顫動的行為仍然存在 但只是沒有那麼激烈 這套理論體系中 量子理論與 廣義相對論完美地結合在一起 這是一場數學的勝利 僅憑這些微小的、震動的能量弦 弦理論學者聲稱他們正在實現愛因斯坦的夢想 將所有力量與所有物質統一起來 但這個激進的新理論卻有其破綻 沒有任何實驗能夠驗證正在 研究的那些距離上發生的情況 沒有任何觀察能與這些微小距離或高能量相關 這意思是說 沒有任何實驗可以進行 也沒有任何觀察可以進行 那會說 你們是錯的 理論是安全的 永遠安全的 那是物理學的理論還是哲學 我問你 人們常批評弦理論說 這與任何直接的實驗測試都相距甚遠 而且當然 這並不是因為這個原因而真的是一堆物理學 我的回應就是他們將被證明是錯誤的 使弦理論更難以證明的是 為 了讓它成立 這些複雜的方程 式需要某種聽起來像是來自科 幻小說的東西 額外的空間維度 我們一直認為 幾個世紀以來 只有我們能看到的東西 你知道 這個維度 那個維度 還有另一個維度 只有三個空間維度和一個時間維度 然而 曾說過空間有額 外維度的人被稱為癡人 說夢或神經質的人 弦理論確實預測了這一點 要受到重視 弦理論家必須解 釋這個奇特預測為何可能為真 而且他們聲稱 關於額外維度的 離奇想法可能比你想象的更實際 讓我來告訴你我的意思 我要去見一個最早思考這個奇怪想法的人 我應該在四點鐘到他位於第五大 道與第九十三街二樓的公寓裡見他 現在 為了參加這次會議 我需要四個資訊 分別是三個空間維度的資訊 一條街、一條大道和一樓層號碼 以及時間 這第四個維度 你可以將這些視為常見經驗的四個維度 左右、前後、上下以及時間 事實上 關於存在額外維度的奇怪想法 其歷史幾乎可以追溯到一個世紀前 我們認為自己生活在三維空間 的宇宙中 這似乎毫無疑問 但 1919年 一位幾乎不為人 知的德國數學家西奧多·卡魯扎 他有勇氣挑戰顯而易見的事實 他建議說 或許 真的或許 我們的宇宙還有一個額外的維度 只是出於某種原因 我們根本看不到 看 他這裡說 我喜歡你的想法 那麼他為什麼拖延呢 你瞧 卡魯扎已經把關於額外空間維度的想法 寄給愛因斯坦了 儘管愛因斯坦一開始很熱情 之後卻似乎有所猶豫 並在兩年內延緩了卡魯扎論文的發表 最終 卡魯扎的論文被發表了 因為 愛因斯坦認為額外維度正合他的口味 這裡的觀點是 1916 年 愛因斯坦證明了重力 不過是時空四個熟悉 的維度中的扭曲與波動 三年後 卡魯扎提出電磁學可能 也是波動 但要使這成立 卡魯扎需要一個這 些波動發生的空間 因此 卡盧扎提出了額外的隱藏空間維度 但如果卡盧扎是正確的 這額外的維度在哪裡呢 而額外的維度會是什麼樣子呢 我們甚至能想像他們嗎 事實上 繼卡魯扎的理論之後 瑞典物理學 家奧斯卡·克萊因提出了一個不尋常的解答 請看看那盞交通號誌所支撐的電纜 從這麼遠的距離 我看不出它們有任何厚度 每一條看起來都像是一條線 一種只有單一維度的東西 但假設我們能從非常近的距離探索其中一 根電纜 就像從一隻螞蟻的視角來看一樣 現在 第二個維度 一 個包圍電纜的維度 開始 顯現出來 從它的觀點來看 螞蟻可以前進和後退 並能順時針和逆時針移動 因此 維度可以分為兩種類型 它們可以是長而展開的 就像電纜的長度一樣 但也可能是微小而捲曲的 像環繞其周圍的圓形方向一樣 卡盧扎和克萊因提出了大膽的建議 我們宇宙的結構 可能有點像電纜的表面 擁有大尺度的延伸維度 以及 我們所知的三個維度 還有極小 的捲曲維度 這些捲曲維度小到 甚至比單個原子還要小數十億倍 我們只是無法看到它們 因此我們認為自己生活在三維空間 的宇宙中的觀念 可能根本是錯誤的 我們真的可能生活在一個不同的宇宙中 看似比實際更為複雜 那麼這些額外的維度會是什麼樣子呢 卡魯扎和克萊因提出如果我們能縮小數十億倍 就會發現一個額外的、微小的、捲曲的維度 位於空間的每一個點 就像一隻螞蟻可以探索繞著 交通號誌電線環繞的圓形維度 理論上 一隻小了數十億倍的螞蟻 也可以探索這個微小、捲曲的圓形維度 這個額外維度無處不在的想法 是弦理論的核心 實際上 弦理論的數學要求 不是一個 而是六個額外的維度 被扭曲並捲曲成複雜的小形狀 看起來可能像這樣 如果弦理論正確 我們就必須承認 確 實存在更多維度 這讓我感到驚嘆不已 如果我們認真看待目前的理論 我會得出結論 額外的維度確實存在 它們是自然的一部分 當我們談論額外的維度時 我們確實是指空間中的額外維度 這些維度與我們周圍看到 的空間維度相同 而且它們之間唯一的差異在於它們的形狀 但是這些微小的額外維度 捲曲成如此奇特的形狀 如何能對我們的日常世界產生任何影響呢 根據弦理論 形狀就是一切 由於其形狀 法國號可 以產生多種不同的音符 當你按下其中一個鍵時 你會改變音調 因為你改變了號角內 部空氣共振的空間形狀 而我們認為弦理論中捲曲的空 間維度也是以類似的方式運作的 如果我們能縮小到足夠小 飛 入這些由弦理論 預測的微小六維 形狀中 我們將會看到額外的 維度是如何扭曲並纏繞在一起的 影響著弦的 運動與震動 這些是我們宇宙的基本元素 這可能是解開 自然最深奧謎題的關鍵 你瞧 我們的宇宙有點像一臺精密調校的機器 科學家發現大約有20個數字 自然的20個基本常數 賦 予了宇宙今天我們所見的特徵 這些是像電子的重量、重 力的強度、電磁力等數值 以及強大力量和弱大力量 現在 只要我們將宇宙機器的旋 鈕調整到這些20個數字的精確值 這台機器創造出我們所知並喜愛的宇宙 但是 如果我們稍微調整 這台機器的設定 改變數字 後果將是戲劇性的 例如 如果我增加電磁力的強度 原子之間的排斥力更強 因此產 生恆星光芒的核融合爐會崩潰恆星 包括我們的太陽 會逐漸熄滅 而我們所知的宇宙也會消失 那麼 自然界中究竟是什 麼因素能如此精確地設定這 20個常數的值呢 答案可能是弦理論中的額外維度 也就是理論預測的微小捲 曲的六維形狀 使一根弦以恰到好處的方式震動 從而產生我們所見的光子 以及另一種以不同方式震動的弦 產生電子 因此 根據弦理論 這些微小的、額外維度的形狀 真的可能決定自然界的所有常數 維持弦理論的宇宙交響樂和諧鳴響 到了1980年 代中期 弦理論看 起來無可阻擋 但背後卻陷入混亂 多年來 弦理論學者們取得了如此成功 的成就 以至于他們建立了不止一個理論 但有五種不同的理論 每個理論都是建立在弦與額外維度之上 但細節上 五種理論並未協調一致 在一些版本中 字串是開放的線條 在其他版本中 它們則是封閉的環 乍看之下 一些版本甚至需要26個維度 所有五種版本看起來都同樣合理 但哪一種描述的是我們的宇宙呢 這對弦理論學者來說 有點尷尬 因為一方面 我們想說這或許就是宇宙的最終描述 但接著 我們又不得不說 它有五種風味 五種變化現在 只有一個宇宙 你預期應該只有一種理論 不是五個 所以這是一個「多反而少」的範例 那些不喜歡弦理論的人可以採取的一種態度 過去 嗯 你有五種理論 所以這不是獨一無二的 這是一種奇特的情況 因為我們只是想描述一種自然理論 而不是五種 如果他們有五個 那麼也許有……智慧足 夠的人會找到二十個 或者 也許他們的數量是無限的 而且你又回到隨機尋找世界理論的狀態 也許這五種弦理論中的 一種描述了我們的宇宙 另一方面 是哪一種呢 那其他的理論又有什麼用處呢 畢竟有五種弦理論 儘管這是一大進步 卻也明顯地提出了一個問 題如果其中一種理論描述了我們的宇宙| 那麼其他四個世界有誰居住呢 弦理論似乎再次失去動力 由於進展不足 許多物理學家放棄了這個領域 弦理論最終會成為萬有理論 還 是會演變為什麼都解釋不了的理論 在NOVA的網站上 與瑞安·格林深 入探訪幕後 踏上探 索亞原子世界的旅程 與弦理論互動 想像其他維度 還有 更多內容 請上pbs org尋找 如需訂購此節目VHS或DVD 或《優雅宇宙》一書 請撥打WGBH Boston Video的電話1-800-255-9424 下一次NOVA節目 弦理論還能拯救嗎 我們所處的世界是否包含額外維度 而平行宇宙僅僅在我們觸手可及之處 布萊恩·格林將物理學推向極限 下一 集《優雅的宇宙》將帶來更多驚險刺激