布赖恩·格林是理论物理学前沿理论弦理论”的领军人物之一,同时也是著名的科普作家。他胸怀宇宙,还能将头脑中最深奥科学理论用最浅显易懂的语言向大众陈述。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。有著作《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等。

布莱恩·格林 Brian Greene有什么成就,只听说是物理学家

布赖恩·格林(Brian Greene)毕业于哈佛大学,在牛津大学获博士学位,曾是那的Rhodes学者。1990年,他来到康奈尔大学物理系,1995年被聘为教授,1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,公认在超弦理论中有过许多开拓性的发现。他现在住纽约绮色佳。

有著作《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》

布赖恩格林:宇宙的结构

布赖恩·格林是牛津大学的物理学博士,同时也是哥伦比亚大学的物理学和数学教授。他是物理学前沿理论研究的领军人物,也是著名的科普作家。格林最擅长的,就是把复杂的物理概念用通俗易懂的方式表达出来。

一、宏观宇宙学

宏观宇宙理论是描述我们肉眼可以看到的,或者通过天文望远镜可以看到的宇宙。

1. 牛顿对宏观宇宙的认知

牛顿提出了“绝对空间”的概念。绝对空间像一个“虚无”的舞台,虽然什么都没有,但我们所有的运动都发生在这个舞台上。牛顿认为“绝对空间”是描述物体运动的终极参照物,也就是说:一个物体如果相对于绝对空间静止,那就是真正的静止;如果相对于绝对空间做加速运动,那就是真的在加速运动。

但“绝对空间”理论无法解释两个现象:光速的恒定和引力的形成。

物理学家在实验中发现,不管在什么条件下,光速始终是恒定的。也就是说,不管我们是把光源放在静止的地面上,还是一列高速行驶的列车上,人们所测出的光速都是一样的。这就不能用牛顿的“绝对空间”来解释了。因为按照牛顿的解释,如果一辆列车相对于绝对空间运动,人在车厢中也相对于列车做运动,那列车中的人相对于绝对空间的速度,就是列车的速度和他自己与列车相对速度的叠加。很明显,绝对空间理论不能解释“光速始终保持恒定”的现象。

“绝对空间”理论也不能解释引力的形成。牛顿根据“绝对空间”模型所推导出的公式,能说明世间万物之间都存在引力。但是这种引力到底是怎样形成和传导的,牛顿却解释不了。按照牛顿的理论,地球绕着太阳转是因为太阳的引力。如果太阳突然消失,牛顿方程显示,太阳的引力会瞬间消失,但是因为它离地球很远,太阳光到地球需要8分钟的时间。这就表示,引力比光速还快。可是呢,我们都知道,光是物体运动的最快速度,这个结论就是在牛顿力学的情况下成立的,那如果说引力比光还快,这就出现了矛盾。

2. 爱因斯坦对宏观宇宙的认知

爱因斯坦打破了“绝对空间”的思考框架,提出了“相对空间”和“相对时间”的概念,也就是著名的“相对论”。

在爱因斯坦的相对论中,空间和时间是不可分割的,一个物体总是在不断地穿越时间和空间。光速在爱因斯坦看来,就是穿越空间的最大速度,所以不管光源怎么运动,我们测量的光速都是恒定的。

相对论认为,引力的产生是因为空间的变形。在相对论中,空间并不像牛顿说的那样,是一个“虚无的舞台”。事实上,空间是一个可以弯曲、可以拉伸的实体。我们可以把空间想象成一块平整的布,如果在布上放一个球,放球的部分会凹陷下去。这种凹陷就会影响这个球周围物体的运动。所以,地球之所以围绕太阳转,并不是两者之间有什么连接,而是太阳因为自身的重量而扭曲了空间,改变了地球的运行轨迹。这也就解释了引力产生的原因。

二、微观宇宙学

微观宇宙理论描述的是原子尺寸,或者更小尺寸下的宇宙现象的。相对论的提出可以很好地解释宇宙在宏观维度的规律,但如果我们把镜头转移到比原子还小的微观世界,会发现这里和宏观宇宙完全不一样。为了描述微观宇宙的规律,物理学家建立了量子力学。

1. 微观宇宙中的空间扭曲

在量子力学所描述的微观世界中,空间是极度扭曲的、剧烈波动的,各种粒子的运动也是极度混乱的。所以,我们永远不可能知道一个粒子的精确位置和速度,我们所能做的,只是预测一个粒子出现在某个位置的概率。

2. 微观宇宙中的纠缠效应

纠缠效应描述的是两个粒子间一种相互影响的状态。进入纠缠状态的两个粒子,即使隔着十万八千里,其中一个粒子的行为也会影响另一个粒子的行为。这种影响是无视距离并且实时发生的。

纠缠粒子的现象已经被证明确实存在,并且通过实验观察到了,所以物理学家不得不承认,微观宇宙和宏观宇宙的物理规律再次出现了冲突。因为根据相对论描述的宏观宇宙规律,在空间中不同位置的物体,一定是不同的物体。如果一个物体想影响另一个,就必须用某种方式来突破把他们隔开的空间。

举个例子,我们要想看到光、听到声音,就必须等待光波和声波穿越空间的隔离,到达我们的眼睛和耳朵才可以。如果现在身在美国的一个人说了一句话,而身在中国的另一个人不需要借助任何工具就可以瞬间知道,这种情景在宏观世界是不可能的。但在微观世界中,不论两个物体之间的空间有多大,量子力学都允许他们之间存在纠缠状态。

三、“弦理论”假说

在“弦理论”中,宇宙的基本构成不再是粒子,而是“弦”。这里的弦有点像弹奏音乐所用的琴弦,但是却非常非常小。如果我们把电子看成太阳,那弦就相当于一个氢原子的大小。所以,即使用现在最先进的显微镜来观察弦,也只能看到一个小点。而我们目前发现的各种粒子,其实只是弦的不同震动模式而已。

1. 十维的宇宙空间

在弦理论对宇宙的描述中,如果我们能够看到非常小的空间,会发现其实空间中存在着一个接一个的蜷曲空间,你可以把它们理解成一个一个的小房子。房子的结构决定了弦的震动方式。我们目前所发现的一切规律,在弦理论看来,都与弦的震动方式有关。所以,弦理论认为宇宙的规律是由这些蜷曲空间来决定的。

2. 调和量子力学与相对论之间的矛盾

在弦理论中,弦是最小的尺寸,微观宇宙的研究到了弦的长度就已经算是尽头了。在这个尺度下,空间虽然仍有波动,但已经不那么剧烈了,相对论的数学部分,只需要一些修改就可以描述这些波动。

金句

1. 根据常识来获取知识是一种效率很低,而且很容易出错的方法。而物理学是只相信逻辑不相信常识的一门科学。对于物理学家来说,哪怕一个结论听起来有多么违背常理,只要它能够被证明,那就应该被接受。

2. 有点讽刺的是,牛顿“绝对空间”的错误理论,反而更贴近生活中的各种现象。这就是物理学的魅力,让我们可以通过科学研究来弥补感官上的不足,然后不断提高自己对宇宙规律的认知和理解。

3. 从物理学的角度来看,宇宙不可能由两套不同的规则来搭建,宏观和微观的不同更像是一种人为的划分,而不是自然规律。

4. 弦理论认为,宇宙的规律是由这些蜷曲空间来决定的。这个就有点像生物学中的 DNA 遗传因子,你的长相、性格等各种特征都是 DNA 决定的。所以我们可以把一个个的蜷曲空间看做是宇宙的 DNA,他们决定了我们所在的宇宙是什么样子的。

5. 根据弦理论的说法,蜷曲空间的可能性大概有10的500次方,这就表示我们的宇宙成为现在这个样子,只是一种偶然。这个结果和“多元宇宙假说”的结论不谋而合。