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《宇宙的琴弦》
铛铛铃2025-09-13【科普】1人已围观
简介
今天为你解读的书是《宇宙的琴弦》。
不知道你还记不记得，2014年上映的一部科幻大片《星际穿越》。影片当中，讲述了男主人公库珀为了拯救人类而进行太空历险的故事。库珀冒着生命危险，忍着与亲人诀别的痛苦，乘坐宇宙飞船去寻找适合人类生存的星球。这部影片呢，不仅得到了观众的认可，也得到了物理学家霍金的称赞。霍金说，影片嵌入了许多现代物理学的理论，比如相对论、黑洞、奇点、虫洞、高维空间等等。这些理论呢，和故事情节完美地融合为一体，让我们觉得既精彩又有几分可信。但是许多人看一遍呢，未必能够看明白，因为黑洞、奇点、高维空间这些概念对于普通观众来说呀，都很深奥。
不仅如此，这些概念都与一个玄妙的理论联系着，那就是现代物理学的前沿——弦理论。弦理论的出现，使得现代物理学取得了巨大的进展。弦理论为什么会如此神奇呢？啊，听一听《宇宙的琴弦》这本书，你或许能够找到答案。
这本书的英文原版出版于1999年，在当年的纽约时报畅销榜上排名第四，曾经获得过2000年安万特科学图书奖。这本书呢，是被纽约时报、科学、美国人等多家媒体称为介绍弦理论的最好的科普书之一。根据此书改编的纪录片《优雅的宇宙》获得美国广播电视文化成就皮博迪奖。
作者布莱恩·格林是世界顶尖的物理学家，牛津大学物理学博士，哥伦比亚大学数学和物理学教授。他始终工作在弦理论研究的第一线，对弦理论中空间形态的研究作出过重要贡献。格林说，他写《宇宙的琴弦》这本书，就是想把物理学前沿的惊人发现告诉读者。
这本书大约36万字，我们将分成三个部分为你解读。第一部分，为什么需要弦理论；第二部分，弦理论到底说了些什么；第三部分，弦理论有什么用呢？
下面为您讲述第一部分，为什么需要弦理论。说起弦理论，你先得理解两个东西，一个是广义相对论，另一个呢，是量子力学啊。
先说广义相对论。广义相对论认为，大质量物体会造成空间弯曲，弯曲的空间会改变物体运动的方式。像太阳这样的大质量物体，会使得宇宙空间产生弯曲，因此改变地球的运动方式。为了帮助你理解，我们来做一个思想实验啊。假如在一个平坦的橡皮膜上放一只保龄球，橡皮膜呢，将会发生变形。这个时候呢，我们稍稍用力向膜上扔出一粒小滚珠，小滚珠呢，将沿着曲线滚动。这个小滚珠沿着凹陷的橡皮膜滚下去的场景，像不像是小滚珠受到了保龄球的吸引力呢？现在把橡皮膜当成是空间本身，把小滚珠当作是地球，把保龄球当作是太阳。爱因斯坦证明，太阳的存在会造成空间本身的弯曲，空间弯曲对周围物体的影响，就等价于把这些物体拉向太阳的引力。换句话说，引力怎么来的，其实就是有质量的物体把周围的空间给压弯了，弯曲的空间又对物体产生了引力的效果。空间弯曲就是引力之源，这就是爱因斯坦引力，或者说广义相对论最核心的思想。
那么，什么是量子力学呢？量子力学的研究对象是微观粒子，它比相对论更加令人难以琢磨。量子力学的不确定性原理认为，粒子的位置和速度、能量和时间不可能同时被确定，或者说我们考察的距离越小，时间越短，粒子就会变得越疯狂。设想，在一个大小可变的盒子里，装着一个电子，你慢慢挤压这个盒子，让它变小。这个时候你会发现，电子就像是患了幽闭恐惧症，在盒子里是撞来撞去，速度越来越大，越来越难以预料。其实，所有粒子如果将它们限制在极小的空间，他们就会变得越来越疯狂，就像不断涨落、变幻莫测的泡沫啊。也就是说，宇宙在微观尺度上是一个混沌的、疯狂的世界。物理学家把这个现象形象地称为量子泡沫或量子涨落。
到这里呢，我们讲解了现代物理学当中的两大支柱，广义相对论和量子力学。那么他们跟这本书的主题——弦理论有什么关系呢？广义相对论和量子力学已经被无数的实验和事实所验证，他们都是正确的，一个负责宏观世界，一个解释微观粒子。但是呢，在某些特殊场景当中，比如在黑洞的中心、大爆炸时刻的宇宙，物质质量大而尺度小，这个时候我们既需要广义相对论，也需要量子力学。然而此时却产生了矛盾，当两个理论的方程结合起来的时候，好好的物理问题却得不出有意义的答案。在宏观世界当中，时空如同那张橡皮膜一样光滑、连续、稳定，只有这样才能够有效地运用广义相对论。但是在微观的量子世界，一切都是离散的、不连续的、不固定的。为了消除矛盾，让广义相对论和量子力学两个理论协调起来，物理学家绞尽脑汁做了无数的努力。他们使用了这样那样的方法，要么修正广义相对论，要么修正量子力学。虽然每次努力都很大胆，都有创新，但是呢，仍然是一个失败接着一个失败。终于，弦理论登场了。
下面就为你讲述第二部分，弦理论到底说了些什么。经典物理学认为，物质是由各种点一样的粒子构成的。一层一层来看的话，物质由原子组成，而原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。夸克和电子似乎是没有内部结构的点粒子，因此呢，把它们称为基本粒子。物理学家建立了一系列的理论，基本解释了为什么有这么多的基本粒子，以及粒子之间的作用力。
弦理论认为，如果把基本粒子放大，会发现它们是由一个个小环构成的，每个小环都像是无限细的一堆橡皮筋啊，在不停的震动。物理学家给这些振动的橡皮筋起了一个形象的名字，叫做弦。弦的不同振动模式形成了不同的基本粒子。我们可以把弦理论当中的弦想象成小提琴、吉他等乐器的弦，通过不同的指法以及弹奏力度，可以让同样的弦产生不同的振动，发出不同的声音。弦理论的弦也是这样的，虽然所有的弦都是一样的，但是呢，这些弦有着不同的振动模式，因此可以产生不同的基本粒子。电子是以一种模式振动的弦，夸克又是以另一种模式振动的弦。如果弦的振幅大，那么产生的粒子携带的能量就高。也就是说，宇宙中的一切物，实际上都是由弦构成的。我们看到的多姿多彩的世界，其实都是不停震动的弦。
弦理论是一个发展着的理论啊，它不断的完善，也在不断的创新，新观点层出不穷，而且呢，有些观点很是惊世骇俗。下面我们来举两个弦理论的新观点，你就会有所体会。
第一个观点是，弦理论认为宇宙的空间结构是11维的。物理学家通过数学推导发现，弦理论当中的宇宙应该有十个空间维度，还有一个时间维度啊，一共11维。为什么是11维呢？它是物理学家从弦理论的基本构想出发，经过科学计算得出来的。只有11维的空间，才能够容纳所有物理学定律，才能够使它们不产生矛盾。在十个空间维当中，有三个维度是展开的啊，也就是我们所感受到的三维世界，而其余的七个维度是蜷缩起来的。由于这些蜷缩的维度尺度太小，目前用最精密的仪器也无法观测到，所以我们感觉不到它们的存在。为了帮助理解蜷缩的维啊，我们来打一个比方。假如说观察花园当中有一根悬空的、长长的水管啊，我们凑近了看，水管是有粗细的。如果说一只蚂蚁趴在水管上，蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬，它也可以在水管上转圈的爬，那么转圈儿的那个方向呢，也是一个维度。如果说蚂蚁活动的空间是二维的，但是如果我们离得远一点，观察水管看起来就像是一条线，没有了粗细，可以认为这根水管是一维的。宇宙呢，就像是这根水管，有些维度是展开的，有些维度是蜷缩的。
第二个观点是，弦理论认为黑洞和基本粒子本质上是一样的。黑洞是什么？黑洞一般是由质量比太阳大几十倍，或者几百倍，甚至更大的恒星演化形成的。当恒星演化到了末期，成为了中子星后，引力继续压缩，它就会使它坍缩。根据德国天文学家史瓦西的研究，当中子星坍缩到某一状态，质量聚集在一个足够小的球状区域，质量除以半径超过某个临界值，时空将产生剧烈卷曲，从而形成黑洞。黑洞周围是一个巨大的引力场，靠近它的任何东西都会被吸到黑洞当中，连光都不能够逃脱。如果相当于太阳质量的恒星要形成黑洞，它的临界半径大约是3千米。听到这里你可能疑惑了啊，黑洞是如此巨大的天体，而基本粒子比尘埃还不知道小多少倍呢，说他们是一样的，怎么可能呢？啊，别着急，听我慢慢给你说。此前，物理学家发现，任何两个黑洞如果有相同的质量、力荷和自转，那么它们就是完全相同的，这跟基本粒子的性质是一样的。质量、力荷和自转都是粒子的属性。这里呢，我们解释一下力荷，力量的“力”，电荷的“荷”。力荷是粒子对力的作用所产生的反应。其实我们平常所说的电荷就是一种力荷啊，它是一个粒子对电磁力的反应。由于黑洞和基本粒子的这种相似性，一些物理学家提出了大胆的猜想，黑洞可能本来就是巨大的基本粒子，但是他们俩的差异呀，实在是太大了，仿佛水火不容啊。直到弦理论的出现才证明了这一构想。物理学家从弦理论出发，经过极其复杂的计算，发现在某种情况下，大质量的黑洞能够转化为一个没有质量的粒子，在弦理论当中，那就是一根以某种特殊方式振动的弦啊。这样呢，弦理论在黑洞和基本粒子之间建立了直接的联系。黑洞和基本粒子就像是水和冰一样，是同一种东西，只不过两种不同的表现形式。
怎么样，听了这两个观点和解释，你可能还是觉得有点儿太魔幻的味道啊。这些观点虽然说有些奇特和难以理解，但是呢，他们不是物理学家凭空杜撰出来的，都是经过严格计算以及理论推导所得出的。
你可能还会问，弦理论有什么用呢？啊，好，这就是咱们要讲的第三部分内容，弦理论有什么用呢？啊，我们从三个方面来谈。
第一方面，弦理论解决了量子力学和广义相对论的冲突，让我们离物理学的终极理论更近了一步。前面我们提到，在广义相对论看来呢，宇宙就像是一张巨大的膜，物体能够使它弯曲，空间看起来是平滑的。而在量子力学看来呢，宇宙空间在微观尺度下是不连续的，这样他俩在微观尺度下就发生了冲突了。弦理论认为，只有在观测尺度小于普朗克长度的时候，量子力学和广义相对论的冲突才会显现出来。普朗克长度啊，是十的-33次方厘米，这是一个非常小的尺度，小到什么样的程度呢？假如啊，将一个原子放大到地球到太阳距离的1万倍，然后按照同样的比例放大普朗克长度，它会变成多大呢？啊，还没有一粒尘埃大。在弦理论当中，空间并不是可以无限分割的，基本粒子是有空间大小限制的，能够小到什么程度呢？小到弦的平均长度就不能够再小了，而弦的平均长度就是普朗克长度。因此，在普朗克长度以下的空间涨落，都是我们想象出来的，并不是客观存在的。所谓量子力学和广义相对论的矛盾，也就不存在了啊。打一个比方，如果你用手去摸一块精心加工过的大理石，你感觉它是完全光滑的。但是呢，你用放大镜或者是显微镜去观察它的表面，就会发现哦，大理石的表面是凹凸不平的，有许多细小的颗粒和凹坑，只是这些颗粒和凹坑太小，我们的手根本感觉不到。同样，因为弦是有空间大小的，它对小尺度的灵敏度也是有着一定的极限，就像我们的手指一样，弦感觉不出普朗克尺度以下的变化。在这个例子当中，大理石表面的小颗粒和凹坑已经超出了手的感知范围，对于手来说呢，它是没有意义的。
全世界的物理学家一直都梦想建立一个理论，能够解释一切自然现象。它的一个基本要求，就是能够统一宇宙当中的四种自然力，即引力、电磁力、强力和弱力。这个理论呢，就是统一场理论啊，也叫做物理学的终极理论。量子力学统一了引力之外的其他三种力，但是无法将引力纳入其中。弦理论在解决了广义相对论和量子力学矛盾的同时，实际上将引力纳入了弦理论的框架。因此在建立统一场理论的道路上，迈出了重要的一步。虽然弦理论还有不完美的地方，但是呢，物理学家越来越相信，弦理论走在了正确的道路上。
第二方面，弦理论呢，让我们找到了宇宙大爆炸的起点。现如今宇宙大爆炸的理论呢，得到了大多数物理学家的认同，但是物理学家们却无法描述大爆炸起点是怎么样一个图景。根据广义相对论，如果说让时间倒流，时间越接近大爆炸的起点，宇宙的密度越大，温度越高。在零时刻那一点啊，密度和温度都达到无穷大，这个结果是不能接受的，或者说这个时候推导出这个结果的理论模型是失败的。而弦理论认为呢，在大爆炸的起点，宇宙不是无限小，而是在各个维度都有普朗克尺度，你可以把它想象成为一个非常小的火球，火球的直径只有普朗克尺度。这时宇宙的各个维度都蜷缩着，随着大爆炸的开始，三个空间维度生长出来，其余的维度呢，还是保持普朗克尺度。三个展开的维度不断演化膨胀，形成了我们现在看到的宇宙。
第三个方面，弦理论让穿越时空成为可能。霍金曾提出存在平行宇宙，也有物理学家认为黑洞是新宇宙的种子，新宇宙可以从黑洞当中喷发出来。平行宇宙呢，就像是漂浮在空气当中的一群肥皂泡啊，我们的宇宙呢，只是无数肥皂泡当中普普通通的一个。通常这些肥皂泡是分离的，但是连接这些平行宇宙的虫洞可能是存在的。通过虫洞，人类就可能在不同的肥皂泡间穿行。这不是科幻小说啊，这些问题已经实实在在成为物理学家研究的严肃课题了。
那么，虫洞又是什么呢？前面我们说到，黑洞中引力场是无穷大的，任何靠近它的物体都会被吸收摧毁。但是有科学家提出，黑洞不会坍缩成一个点，而是被压缩成一个环。当物体从侧面落到这个环上，就会被强大的引力所吸收，但是在环的中心，引力并不是无穷大的，物体从环的中心穿过，它就有可能存活下来，这个黑洞就成为了通往另一个宇宙的通道，也就是虫洞。而且啊，时间在虫洞的两端以不同的速率流逝，于是虫洞可以带我们回到过去，或者去往未来。科幻小说当中描述的太空旅行和穿越时空可能变为现实，人类在宇宙中的生存将获得更大的自由。
弦理论的确太神奇了，但是呢，他还是一个发展着的理论，还有不完美的地方，物理学家还在不断的完善它。为什么这么说呢？一方面，弦的尺度实在是太小了，平均大约是普朗克长度，我们还没有任何的实验办法能够清楚地观察到弦。即使我们使用最精密的仪器来观察它们，看起来呢，仍然是像点一样。另一方面呢，研究弦理论的数学工具也还没有建立起来。爱因斯坦建立广义相对论时，黎曼几何这个有力的数学工具早在60年前就给他准备好了，但是弦理论家们却是没有这样的好运气啊。弦理论太深奥了，要建成一个完美的、包罗万象的物理学终极理论，人类还需要付出艰巨的努力。
好，说完了《宇宙的琴弦》这本书的主要内容，现在呢，我们一起来简单回顾一下今天讲到的三个部分。首先，我们讲述了弦理论产生的背景，物理学的两大支柱理论，广义相对论和量子力学，已经被无数的实验和观测证明是正确的，但是在极端的情况，比如说在黑洞的中心、大爆炸时刻的宇宙，二者产生了矛盾，这时就需要一个新的理论来解决这个矛盾，这个新的理论就是弦理论。其次，我们讲述了弦理论的基本思想和新的观点，弦理论认为，所谓的基本粒子，其实都是由一个个微小的振动的弦组成的，弦的尺度非常小，一般呢，是普朗克尺度。弦理论的研究得出了许多颠覆认知的新观点，如宇宙空间结构是11维的，黑洞和基本粒子本质上是相同的等等。最后呢，我们讲述了弦理论对物理学的影响啊，弦理论解决了广义相对论和量子力学的矛盾，建立了统一场理论的基本框架，修正了宇宙大爆炸理论，让穿越时空成为了可能。
总之，弦理论给我们描绘了一幅新的宇宙图景，从地球上的高山河流、森林海洋，到浩瀚太空中的日月星辰，从微小的尘埃到巨大的黑洞，万事万物都是奇妙的弦奏出的旋律。弦理论虽然还不完美，但他取得的成果足以让我们感到惊喜，给人类探索宇宙终极奥秘带来信心和希望。
好，《宇宙的琴弦》这本书就为你解读到这儿，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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