《超越时空》读书笔记

什么是物质的本源？宇宙从哪里来？人类活着的目的是什么？

像这类终极问题，从神学宗教，到哲学，到物理学，人类不断在不同层面建立一套套认知体系，以求合理的解释周遭的世界，700万年前演变至今，让人类成为迄今为止最特别的物种。有时候在想，我们是不是整个宇宙程序世界的bug，一不小心开启了潘多拉魔盒，突然学会思考，然后开始仰望星空，迈开双腿探索世界。本周读的是物理学相关的书，是因为我们看过了物种起源相关、人类历史相关、思维方式相关的书后，我觉得可以尝试更宏观的宇宙以及更微小的粒子世界，即便没什么用，也能开阔下眼界。

一、更高的维度

我们为什么理解不了更高的维度？现实生活中我们都知道，我们生活在三维的世界里，一个物体有长、宽、高，我们的视觉、触觉、听觉辅助我们定义了周边的世界，但如果有一天，我们被告知还有第四维，第五维，甚至第十一维，那我们应该怎样重新思考这个世界呢？作者在介绍了一种灵巧的方法，他建议我们先从二维往三维思考，以便从三维延伸至更高维度。

我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命，平面国人，它们的世界里只有长和宽，根本无法理解第三维——“高”这一维。因此，它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影，或者三维物体与平面世界的接触面。这时候有个三维的人，伸手将其中一个平面国人从二维平面中拿出来，这时这个平面国人会发现一件很神奇的事，他到了一个之前从没到过的地方，同时也理解不了。等到我们把他放回二维平面原位置稍远的地方，又会发生一件神奇的事，原来平面国的其他人会发现，有同伴突然从一个地方消失，过了段时间竟然从另外一地方出现！由此可见其实，低维的生物很难思考高纬生物所在的时空概念，但另一方面高纬却可以有效的将结构简化，使低纬的复杂变为高纬的简单优雅，比如自然规律在高维表达时可以变得更为简单。书中举了一个引申的例子，古代战争首要的原则是占领高地，从“二维”战场上升到第三维，进入更高的维度抽离战争的喧嚣，往往有利于把握战局。

二、万有引力与广义相对论

在针对行星为什么绕着太阳转的问题上，17世纪，牛顿提出万有引力定律，他认为时间和空间是绝对不变的。并且，物体之间有彼此吸引的万有引力存在。行星因为和太阳之间存在着万有引力，所以围绕太阳公转。时隔3个世纪后，1915年天才物理学家爱因斯坦提出广义相对论，根据广义相对论，物体的质量使时空扭曲，产生引力。因此，行星围绕太阳公转是因为太阳的质量使空间产生扭曲形成“旋涡”。时空扭曲的观点，极大地改变了对引力的认识。（爱因斯坦的广义相对论，有个实验可以帮助我们认识：在橡胶垫上隔开两个距离放两个质量不相等的球，当放在中间的打球因为质量向下开始凹陷时，会形成一个旋涡，而旁边质量较小的球会沿着凹陷转动，向中间的球靠近。）

如果说爱因斯坦的广义相对论和牛顿的万有引力都是试图在阐述行星与太阳之间运转机制的原因，那为什么说这两套理论是矛盾的呢？这还要回到1905年爱因斯坦提出的狭义相对论，狭义相对论认为，物体的长度和时间的流逝，是随着不同的状况变化的。运动越快的物体长度越短，时间流逝得越慢。牛顿力学认为，空间的间隔（物体的长度）和时间的流逝是绝对的，从任何时间点、对任何观察者来说都是一样的。即，1米的尺，任何时候、任何人看都是一样长的；1秒，任何时候、在宇宙的任何地方经过的都是1秒。并且无论两个物体离开多远，这个万有引力的相互作用都不需要花时间。也就是说，力的传递速度比光速还要快。而实际情况是，我们假设这样一个场景，假如有一天，太阳突然消失，没有了引力地球自然会脱离原来的轨道，但它脱离的速度就远比不上太阳最后发出的光束了。

三、物质的本源与四种不同的力

众所周知，物质是由原子组成，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。那么，夸克和电子又是由什么构成的呢？科学家发现，夸克和电子都不可再分了，似乎是没有内部结构的点粒子，因此把它们称为基本粒子。基本粒子是一切物质的基本单元，就像英语里的“字母”一样。

在过去2000多年里，科学家发现我们宇宙中的一切现象都能够归结于4种力，它们把基本粒子结合在一起，形成不同的物质，并安排了宇宙间的秩序：从规律优雅的宏观宇宙到嘈杂混乱的微观世界。这4种力分别是：

电磁力：电磁力是带电荷粒子之间相互作用引起的力。电磁力以多种形式存在，它包括电、磁和光本身。电磁力照亮我们的城市，使电视、收音机保持运转；

引力：引力来源于物体质量的相互吸引，它使地球和其他行星能在各种轨道上运动，约束整个星系；

强力：强作用力是夸克之间相互作用产生的力，强核力为恒星燃烧提供能量，使群星争辉；

弱力：弱作用力产生于中子的衰变，弱核力控制着某些形式的放射性衰变，例如使地球内部的放射性岩石变热，进而促使岩浆涌出地面。

以上这4种力严格约束并定义了我们的世界，那么有没有一种力可以将这4种力进行统一？又或者这些力有没有可以统一的根基？回到物质的本源，一旦我们知道了构成世界的最近基本粒子，以及这些粒子相互之间作用的力，是不是就有机会解构这个世界，改变这个世界呢？以上这些问题正是理论物理学家苦苦追寻的，而后的超弦理论物理学家提出，有可能答案就在于超维空间。

四、超弦理论

长期以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。经过物理学家不断努力，超弦理论出现了。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为弦。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。依照弦理论，弦有两种类型，“开弦”与“闭弦”，更直观的比喻可以将闭弦想象成形状趋于圆形，但是不规则的头尾相连的橡皮圈，开弦的状态则是头尾不相连。弦需要在多于3个维度的空间中运动，增加的维度使单根弦能够不断延伸，如果加上更大的能量，就能包含宇宙，而这种可能超弦理论物理学家将其称为“膜”，所以也许我们生活在一张膜上，即我们的宇宙存在于一个更大更高维空间的膜上，想象一下，一个枕头面包切片，我们的宇宙只是切下来的其中一片面包。我们的宇宙的隔壁，还有其他的宇宙，而它们也许遵循着和我们完全不一样的物理规律。

今天我们知道了超弦理论，那超弦理论是如何统一宇宙呢？纷繁复杂的宇宙，万物都有一个源头：动物、植物起源于远古时代的原始汤，原始汤中的微生物由分子构成，再往下原子→质子→夸克→弦。弦构成了这个世界微观基本粒子基础，至于统一世界的4种力，同样，根据弦的理论也能合理的做出解释。力产生于粒子之间的相互作用，对引力来说，超弦理论认为存在“引力子”即引力相互作用的媒介粒子，引力子相互作用产生了力，对应到电磁力、强力、弱力，有“光子”、“胶子”、“W及Z玻色子”等基本粒子。基本粒子由弦的振动产生，就引力子来说在M理论中被定义为来自自由振动的闭弦。