史上最燒腦物理學(xué)科普（上）

這是一部壯麗的物理史詩(shī)，這是一串光耀后世的姓名。他們是：牛頓，高斯，黎曼，麥克斯韋爾，愛(ài)因斯坦，楊振寧，拉馬努金，霍金，維藤……（且慢，最近十年，我們只能在娛樂(lè)版看到的楊老師，居然可以和那些大師比肩嗎？可以的！以楊老師和他的學(xué)生命名的楊－米場(chǎng)，即所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，成功地解釋、整合了四種自然力中的三種。）那么，這些智慧的頭腦到底有多智慧？

我們普遍接受這樣一個(gè)結(jié)論，即我們現(xiàn)存的這個(gè)宇宙起源于一次大爆炸，英文叫做Big Bang！但是，原子物理學(xué)家絕不可以止步在如此初級(jí)的常識(shí)上。

他會(huì)告訴你，創(chuàng)世的剎那，是如下的演化階段：

話說(shuō)：一切，開(kāi)始于10E^- 43 秒……（10的負(fù)43次方秒，也稱為普朗克時(shí)間，人類已知的最小時(shí)間存在。普朗克時(shí)間=普朗克長(zhǎng)度/光速。光速定義值：c=299792458m/s=299792.458km/s。）請(qǐng)注意了，這是一個(gè)定義值，而不是一個(gè)測(cè)量值。

言歸正傳，創(chuàng)世的剎那：

§創(chuàng)世時(shí)間表

# 10E－43秒，十維宇宙分裂成一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙。六維宇宙崩潰，縮成10E－32公尺。四維宇宙（我們今天所在的宇宙）則迅速爆炸，此時(shí)的溫度高達(dá)10E32（10的32次方）度；

# 10E－35秒，大一統(tǒng)作用力崩解；

# 10E－9秒，電弱對(duì)稱崩解，此時(shí)的溫度是10E15度；

# 10E－3秒，夸克開(kāi)始凝聚，中子與質(zhì)子出現(xiàn)，此時(shí)的溫度是10E14度；

# 3分鐘，質(zhì)子與中子開(kāi)始凝聚成穩(wěn)定的原子核；

# 30萬(wàn)年，電子開(kāi)始凝聚在原子核周圍，第一個(gè)原子出現(xiàn)；

# 30億年，第一個(gè)似星體(quasar)出現(xiàn)；

# 50億年，第一個(gè)星系出現(xiàn)；

# 100～150億年，太陽(yáng)系誕生，又經(jīng)過(guò)數(shù)十億年，地球上出現(xiàn)了第一個(gè)生命。

這個(gè)時(shí)間表，是哪位大神寫(xiě)的科幻小說(shuō)吧？NO！這是目前已經(jīng)成為眾多科學(xué)家普遍共識(shí)的創(chuàng)世時(shí)間表。

的確，表中所述的那個(gè)數(shù)量級(jí)上的時(shí)間、長(zhǎng)度、溫度等等所有的數(shù)值，沒(méi)有任何一個(gè)是可以直接測(cè)量的，因?yàn)槟壳霸蹅內(nèi)祟惖募夹g(shù)和工具水平，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能企及到那個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，人類的心智卻做到了——這個(gè)時(shí)間表里面的每一個(gè)數(shù)字的背后，都是一堆嚴(yán)密的公式和演算，都有一群知名或者不知名的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，他們是我們?nèi)祟愖钪腔鄣拇竽X。

回到時(shí)間表的第一個(gè)事件，“十維宇宙分裂”，這就是我們今天的主題了：超維度空間。讓我們一起看看，兩百年來(lái)，科學(xué)家們是如何探究世界的本源的。首先，我們先厘清一個(gè)重要概念：

◆維度和多維宇宙

一只在直線上行走的毛毛蟲(chóng)只能前后移動(dòng)，所以，我們把直線或曲線叫做：一維空間；

一只阿米巴扁平蟲(chóng)可以在球面上前后左右移動(dòng)，所以，我們把平面或曲面叫做：二維空間；

一只鳥(niǎo)在我們的空間可以上下前后左右移動(dòng)，所以，我們的空間叫做是：三維空間；

（加上時(shí)間一維，我們的世界是四維的，合稱時(shí)空。在這個(gè)時(shí)空中你要準(zhǔn)確標(biāo)定一個(gè)點(diǎn)，需要四個(gè)數(shù)字，比如：淮海路、馬當(dāng)路交界，二樓，下午四點(diǎn)。）

依此類推……

如果，有人告訴你，多維空間（四維以上）的人，看著我們的保險(xiǎn)柜或房子時(shí)根本就是內(nèi)外一目了然，就像我們看著二維平面上的圓圈一樣，你會(huì)不會(huì)大惑不解、無(wú)法想象、或者毛骨悚然？

當(dāng)然，對(duì)于“眼見(jiàn)為實(shí)”來(lái)說(shuō)，這其實(shí)涉入了一個(gè)哲學(xué)難題。如果眼見(jiàn)才是真實(shí)的，那么高維度的對(duì)象就不是真實(shí)的。但從另一個(gè)角度來(lái)看，人不過(guò)是動(dòng)物中的一種，阿米巴扁平蟲(chóng)只能感知二維的世界，我們?nèi)绾巫C明我們所能感知的所謂’真實(shí)’，豈不是也受限于我們自己的認(rèn)知條件？

必須承認(rèn)的事實(shí)是：人類的大腦和眼睛，只是為了應(yīng)付三維空間和四維時(shí)空的各種情況演化出來(lái)的，因此它們不具備辨識(shí)和解析高維度空間物體的能力。

超弦理論認(rèn)為：宇宙真正的時(shí)空，其實(shí)是一個(gè)十維的空間，其中四維是愛(ài)因斯坦的時(shí)空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個(gè)和它’垂直’的還有一個(gè)很小很小的六維流形。在這個(gè)十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。以類比的說(shuō)法，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動(dòng)這些弦造成不同的音高與音色，于是產(chǎn)生不同的基本粒子，進(jìn)而發(fā)展出所有的物質(zhì)與作用力。（最新的M理論，有別于超弦理論，認(rèn)為宇宙是從十一維開(kāi)始演進(jìn)的。）

◆只有四種自然力

兩千年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們宇宙的所有現(xiàn)象，都可以簡(jiǎn)化成四個(gè)作用力：

1、電磁力（electromagneticforce)：包括電力、磁力和光本身，合稱為電磁力。電荷（磁級(jí)）正負(fù)相同為排斥力，相反為吸引力。由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比。長(zhǎng)程力，在四種力中第2強(qiáng)。

2、強(qiáng)核力?(strong nuclearforce)：是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞（束縛質(zhì)子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子傳遞）。在有效距離內(nèi)，距離越大，力約大。短程力，在四種力中最強(qiáng)，也是恒星燃燒能量的自然力，氫彈的爆炸正是運(yùn)用強(qiáng)核力的原理。

3、弱核力?(weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物質(zhì)的衰變形態(tài)，是造成β衰變一類的衰變的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，較弱，短程力，作用在夸克級(jí)的粒子。是四種力中第3強(qiáng)的。

4、重力?(gravitational force，或稱引力）：由引力子傳遞，與質(zhì)量成正比，距離成反比。長(zhǎng)程力，在四種力中最弱。

◆為何要統(tǒng)一自然力？

一旦人類將所有的作用力整合成一個(gè)超作用力，這時(shí)會(huì)有什么突破。關(guān)于這一點(diǎn)，物理學(xué)家Paul Davies寫(xiě)到：“我們能夠改變時(shí)空的結(jié)構(gòu)，了解宇宙萬(wàn)物的來(lái)龍去脈，讓物質(zhì)變得井然有序?？刂瞥饔昧?，我們便能任意地組合與改變粒子，制造出前所未有的物質(zhì)形態(tài)。我們甚至能左右空間的維度數(shù)，制造出具有不可思議屬性的人工世界。我們將成為宇宙的主宰?！?/p>

回看一下人類掌握“力”的歷史：

→人類誕生的歷史超過(guò)數(shù)千萬(wàn)年，在99.99%時(shí)間里，人類能夠掌握的能量只是雙手和肌肉的力量，大概只有八分之一馬力；

→十萬(wàn)年前，隨著手持工具的發(fā)明，人類的能量輸出倍增，達(dá)到一又四分之一馬力；

→牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力和運(yùn)動(dòng)定律，讓力學(xué)被簡(jiǎn)化成條理分明的方程組?，F(xiàn)代機(jī)械原理催生出蒸汽機(jī)，人類掌握的能量達(dá)到數(shù)十到數(shù)百馬力；

→麥克斯韋爾方程式，啟迪了愛(ài)迪生等發(fā)明家，人類進(jìn)入電力時(shí)代，能量級(jí)數(shù)獲得飛躍，極大地改變了人們的生活。

→愛(ài)因斯坦的相對(duì)論為人類打開(kāi)了核能利用的時(shí)代，人類掌握的能量提升到足夠摧毀自己所居住的行星的程度。

歷史地看：每當(dāng)人類控制一項(xiàng)自然力，都能大幅提升人類所能掌握的能量，讓整個(gè)社會(huì)改頭換面。那么，未來(lái)的人類需要多大的能量？10E 20億電子伏特起步，超過(guò)了現(xiàn)在的一千億倍。否則，我們將無(wú)法使空間彎曲，解決航行到遙遠(yuǎn)星際的難題；或者，在宇宙崩潰的瞬間，有足夠的能量打開(kāi)六維宇宙，逃離滅亡的劫難。

下面，就讓我們按照時(shí)間順序，回顧一下人類整合四種自然力的歷程：

1黎曼，支撐愛(ài)因斯坦的巨人

牛頓曾經(jīng)說(shuō)：“如果說(shuō)我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募缟稀?。按照牛頓的這種說(shuō)法，黎曼毫無(wú)疑問(wèn)正是支撐起愛(ài)因斯坦的那個(gè)巨人。

一八五四年六月十日，一套新的幾何學(xué)誕生了。黎曼在德國(guó)哥廷根大學(xué)發(fā)表了著名的演說(shuō)，徹底撼動(dòng)了兩千年來(lái)從未被動(dòng)搖過(guò)的歐幾里德幾何學(xué)。

黎曼是位數(shù)學(xué)奇才，高中時(shí)期只用區(qū)區(qū)六天時(shí)間完全吸收了《數(shù)論》（Theory of Number)，那是一部八百五十九頁(yè)的艱澀巨著。

黎曼挑戰(zhàn)希臘幾何學(xué)，認(rèn)為縱然歐幾里德的數(shù)學(xué)運(yùn)算極為精確，它的根基卻只是常識(shí)與直覺(jué)的流沙，而不是扎實(shí)的邏輯推演結(jié)果。

比如，歐式幾何說(shuō)三角形三個(gè)內(nèi)角之和等于一百八十度，但這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，在數(shù)學(xué)史上卻從來(lái)沒(méi)有被嚴(yán)密證明過(guò)！而且，假如我們身處彎曲表面的世界，這個(gè)公式就不成立了。（行文至此，我們必須向歐幾里德先生表達(dá)誠(chéng)摯的敬意！每次想到他老人家兩千多年前寫(xiě)就的《幾何原本》至今仍然是全世界的中學(xué)課本，我就不寒而栗！那些至今未被嚴(yán)密證明過(guò)的公理，一個(gè)生活于公元前300年的希臘人是如何發(fā)現(xiàn)的吶？如果這個(gè)世界有“神跡”，歐先生當(dāng)之無(wú)愧是其中之一！）

說(shuō)回到黎曼，他的研究領(lǐng)域甚至延伸到電學(xué)，他認(rèn)為電力與磁力實(shí)際上是同一種作用力的不同表象。據(jù)此他發(fā)展出作用力新解，作出了牛頓兩百年以降的首次劃時(shí)代重大突破，徹底推翻了牛頓的超距作用原則，他認(rèn)為：作用力源自于幾何學(xué)，作用力只是由于幾何結(jié)構(gòu)扭曲所造成的必然現(xiàn)象。（牛頓以降，科學(xué)界認(rèn)為作用力是一種兩個(gè)遙距物體的即時(shí)交互作用，一個(gè)物體可以即時(shí)影響間隔一段距離的其他物體的運(yùn)動(dòng)。）

我們總結(jié)一下黎曼的偉大之處：

1、他以多維空間理論簡(jiǎn)化了所有自然作用力；認(rèn)為電力與磁力和重力一樣，只是高維空間彎曲產(chǎn)生的結(jié)果。

2、他提出了蟲(chóng)洞（warmhole ）的概念，黎曼切口是多重連結(jié)空間的一個(gè)最簡(jiǎn)單范例。

3、他以“場(chǎng)”來(lái)描述重力，以“度量張量”（Riemann metric tensor）描述空間里每一個(gè)點(diǎn)的重力場(chǎng)。（所謂“度量張量”，其實(shí)就是一組數(shù)字，類似坐標(biāo)。）

黎曼英年早逝，并未找出電力與磁力的場(chǎng)方程式，也沒(méi)有計(jì)算出空間要褶皺到什么程度才足以描述不同的作用力，這幾項(xiàng)重要發(fā)展留給了麥克斯韋爾和愛(ài)因斯坦。

2愛(ài)因斯坦，御光飛行者

1、狹義相對(duì)論，光速恒定? E＝mc2

我們贊美陽(yáng)光！它不僅孕育了的生命，同時(shí)也照亮了人類的思想。愛(ài)因斯坦，是那個(gè)御光飛行、穿越時(shí)空的人。

愛(ài)因斯坦小時(shí)候，常以簡(jiǎn)單問(wèn)題自問(wèn)自答：“如果你追上一束光線，它看起來(lái)是什么樣子？你會(huì)不會(huì)看到一束靜止的光波，凍結(jié)在時(shí)間中？”這個(gè)問(wèn)題，讓他在后五十年里，帶領(lǐng)人類走進(jìn)了時(shí)空神秘之旅。

十六歲時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)世界上似乎并沒(méi)有能夠追上光速的東西。二十六歲時(shí)，他用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)證明了這一發(fā)現(xiàn)。在瑞士專利局擔(dān)任低階職員的他，用麥克斯韋爾的場(chǎng)方程式推導(dǎo)出狹義相對(duì)論（special relativity）。

用一句話概括狹義相對(duì)論，那就是：光速在任何恒動(dòng)架構(gòu)里恒為常數(shù)。這個(gè)定理表面上看并不顯眼，但確是人類心靈的最偉大成就之一！

愛(ài)因斯坦指出，無(wú)論我們?cè)鯓蛹铀伲瑹o(wú)論我們自身的速度如何，人們所能測(cè)量的光速是一樣的。

對(duì)于這一結(jié)論，愛(ài)因斯坦給出了超脫凡俗的解釋，他認(rèn)為：導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因是：時(shí)間變慢了?。ㄟ@是石破天驚的一句）也就是說(shuō)，我們移動(dòng)的越快，我們的時(shí)鐘就走得越慢，我們的量尺也越短，所以，我們測(cè)量的光速是不變的。

愛(ài)因斯坦進(jìn)一步思考：那么，幾乎所有的物體都必須使用時(shí)鐘與量尺來(lái)測(cè)量，既然時(shí)間和量尺都是變化的，所以我們必須校正所有的物理量（quantity），于是他導(dǎo)出了下一個(gè)重大的結(jié)論：質(zhì)量是從能量來(lái)的。

這個(gè)結(jié)論，一舉推翻了十九世紀(jì)的兩大物理發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量守恒和能量守恒。自此以后，質(zhì)量與能量被視為單一單位：質(zhì)-能（matter-energy）。

二十六歲的愛(ài)因斯坦同時(shí)給出了質(zhì)能變動(dòng)的方程式，那就是著名的?E＝mc2。

讓我們?cè)賮?lái)追尋一下狹義相對(duì)論的推導(dǎo)過(guò)程：

光速恒定?時(shí)間變慢?質(zhì)量不恒定?“質(zhì)量-能量”相互轉(zhuǎn)換??E＝mc2

狹義相對(duì)論，統(tǒng)一了“時(shí)-空”，也統(tǒng)一了“質(zhì)-能”。

統(tǒng)一了“時(shí)-空”以及“質(zhì)-能”之后的愛(ài)因斯坦，進(jìn)一步思考“時(shí)空”與“質(zhì)能”之間的關(guān)系，也就是狹義相對(duì)論所忽略的加速度，還有重力。

這關(guān)乎了他的下一個(gè)巨大成就：廣義相對(duì)論。

史上最燒腦物理學(xué)科普（中）?史上最燒腦物理學(xué)科普（下）?