“空間”和“時(shí)間”究竟是什么？
物質(zhì)的本原不是點(diǎn)，而是弦？
黑洞、高維度空間應(yīng)該如何解釋？
“超弦理論”是繼牛頓力學(xué)、愛(ài)因斯坦相對(duì)論之后，時(shí)空概念的“第三次革命”。“超弦理論”統(tǒng)一了引力理論與量子力學(xué)的矛盾，超越了“弦理論”的局限，解釋“標(biāo)準(zhǔn)模型”中“費(fèi)米子”與包括“上帝粒子”的“玻色子”的振動(dòng)形態(tài)。本書(shū)中，大栗教授以通俗、風(fēng)趣的語(yǔ)言講解了量子物理基礎(chǔ)、“弦理論”到“超弦理論”的最新發(fā)展、“超弦理論”的理論原理及證明，并在“超弦理論”下重新思考與探究了時(shí)空概念。
從古至今，人類從未停止追問(wèn)“空間是什么”和“時(shí)間是什么”。我們?cè)缫蚜?xí)慣了空間和時(shí)間的存在，將其視為日常生活的前提。但是，只要靜下心來(lái)重新思考它們是什么，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是十分深?yuàn)W的問(wèn)題。我們目前感知到的空間為具有長(zhǎng)、寬、高三個(gè)度量的三維空間，感知到的時(shí)間為從過(guò)去到未來(lái)的單向流動(dòng)�？墒请S著科學(xué)的發(fā)展，關(guān)于空間和時(shí)間的觀點(diǎn)卻在發(fā)生著巨大的變化。
物質(zhì)是否獨(dú)立于空間與時(shí)間？人類從古希臘時(shí)代開(kāi)始就一直積極探索這一問(wèn)題。公元前4世紀(jì)的哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，自然界不存在純粹的“真空”，他認(rèn)為“自然界厭惡真空”。無(wú)論空間還是時(shí)間都是伴隨著物質(zhì)及物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而定義的，也就是說(shuō)物質(zhì)不獨(dú)立于時(shí)空而存在。
此后，亞里士多德提出的這一時(shí)空概念在歐洲統(tǒng)治了兩千多年。
但是到了17世紀(jì)，艾薩克·牛頓掀起了時(shí)空概念最初的革命。牛頓為了完成力學(xué)理論，他引入了從物質(zhì)獨(dú)立出來(lái)的“絕對(duì)空間”和“絕對(duì)時(shí)間”的概念�？臻g是自然現(xiàn)象的容器，是獨(dú)立存在的。時(shí)間在宇宙的任何角落都是一樣的。這種觀點(diǎn)與我們普通人對(duì)空間和時(shí)間的感覺(jué)很相近。牛頓的力學(xué)對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的描述非常成功，構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)的科學(xué)基礎(chǔ)，其“絕對(duì)空間”和“絕對(duì)時(shí)間”的觀念因此為一般大眾所接受。
不過(guò)，進(jìn)入20世紀(jì)后，出現(xiàn)了關(guān)于時(shí)空概念的第二次革命。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦推翻了牛頓的空間和時(shí)間絕對(duì)不變學(xué)說(shuō)。
愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表了狹義相對(duì)論，認(rèn)為空間和時(shí)間會(huì)因觀測(cè)者的速度而伸縮；并于1916年發(fā)表了廣義相對(duì)論，認(rèn)為空間和時(shí)間的伸縮可以揭示物質(zhì)之間的引力�？臻g和時(shí)間不僅僅是物理現(xiàn)象的容器，還與其中的引力有著密切的關(guān)系，在引力的作用下會(huì)產(chǎn)生伸縮變化。
也許我們對(duì)時(shí)空的伸縮一無(wú)所知。但是，愛(ài)因斯坦的理論與我們的日常生活是緊密相連的。例如智能手機(jī)和汽車導(dǎo)航使用的GPS（全球定位系統(tǒng)）定位，必須把廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論中提到的時(shí)間伸縮計(jì)算進(jìn)去才能精準(zhǔn)定位。
然而，故事并沒(méi)有在愛(ài)因斯坦這里結(jié)束，現(xiàn)在正要興起時(shí)空概念的第三次革命。這是一種出人意料的說(shuō)法，即空間只不過(guò)是一種呈展，即衍生的概念。①
雖然愛(ài)因斯坦主張?jiān)谝Φ淖饔孟驴臻g和時(shí)間是伸縮的，但是他并不懷疑作為自然現(xiàn)象框架的空間和時(shí)間的存在。不過(guò)隨著后來(lái)物理學(xué)的發(fā)展，這種觀點(diǎn)發(fā)生了改變。
大約在愛(ài)因斯坦發(fā)表引力理論（廣義相對(duì)論）10年后，微觀世界的法則——量子力學(xué)得以確立。于是我們發(fā)現(xiàn)，引力理論與量子力學(xué)之間存在嚴(yán)重的矛盾。攻克這一矛盾并建立統(tǒng)一兩者的理論，成了現(xiàn)代物理學(xué)的重大課題。
本書(shū)所講述的超弦理論就是解決這一課題的相關(guān)理論。這個(gè)理論認(rèn)為，物質(zhì)不是由粒子組成的，而是類似于線狀的“弦”。雖然這一關(guān)于物質(zhì)組成的超弦理論還未得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，但是它是能夠解決引力理論和量子力學(xué)之間矛盾并將二者統(tǒng)一的理論，是描述基本粒子的終極統(tǒng)一理論中的最有力備選理論，非常值得我們期待。
超弦理論既是關(guān)于物質(zhì)的理論，又是關(guān)于空間和時(shí)間的理論。超弦理論的研究中發(fā)現(xiàn)了令人震驚的現(xiàn)象，那就是空間的維度變化。我們所熟知的三維空間會(huì)變成四維或二維空間。另外，根據(jù)不同的觀測(cè)方式，在三維空間出現(xiàn)的現(xiàn)象也同樣會(huì)出現(xiàn)在九維空間。
�、� 指空間在基本規(guī)律作用下的體系形成新的層次而呈現(xiàn)出的一種特性。呈展論（emergence），認(rèn)為物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分層次的，每個(gè)層次都會(huì)展現(xiàn)全新的性質(zhì)，這些性質(zhì)已超出了基本規(guī)律如基本粒子物理領(lǐng)域，可以被稱作層展性質(zhì)，與其相關(guān)的現(xiàn)象就是層展現(xiàn)象。
下面舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。日常的生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，冰是堅(jiān)硬的，是由形態(tài)自由的水凝固而成的。但是在微觀世界里，它們的特性差異是用分子的結(jié)合方式來(lái)解釋的。分子本身并不具備冰的特性和水的特性，單獨(dú)看每個(gè)分子，冰和水就沒(méi)有區(qū)別了。數(shù)量龐大的分子聚集的時(shí)候，由于聚集方式不同，冰和水才具備了各自不同的特性。
另外，如同冰和水的區(qū)別那樣，“溫度”也是一個(gè)次生性概念。我們?nèi)粘Ｉ钪懈兄睦渑怯谩皽囟取边@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量的。但是在微觀世界里，各個(gè)分子自身不具備溫度特性，溫度只不過(guò)是分子平均能量的表現(xiàn)。從分子的層面上講，溫度這一概念也是不存在的。那么或許可以說(shuō)，溫度是我們從微觀世界層面中產(chǎn)生的呈展效應(yīng)。②
超弦理論就是以空間維度為對(duì)象，進(jìn)行了與上述例子類似的思考與研究。例如空間的維度變化、觀測(cè)方式差異下不同維度空間中出現(xiàn)的相同現(xiàn)象，我們也并不能確定這些是否是空間這一概念的本質(zhì)�；蛟S就像溫度只不過(guò)是分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)那樣，“空間”也是某種更加本原東西所表現(xiàn)出的次生概念，也就是說(shuō)“空間”也只是我們?cè)诒驹瓕用嬷械某收菇Y(jié)果。超弦理論中就是這么講的。
�、� 簡(jiǎn)單說(shuō)即是宏觀層面上對(duì)微觀現(xiàn)象的一種等效描述，或者說(shuō)是對(duì)其更本原的規(guī)律在宏觀層面上的一種刻畫(huà)。
這么一說(shuō)，你可能會(huì)想：怎么盡是些打破常規(guī)的言論。但是，物理學(xué)家可不是喜歡打破常規(guī)的人。相反，他們非常保守。例如，他們會(huì)執(zhí)著于已經(jīng)確立的理論，不會(huì)輕易摒棄，直到山窮水盡，無(wú)路可走。當(dāng)然，如果愛(ài)因斯坦的理論能夠不改變，那是最好了。所以打破常規(guī)的言論與物理學(xué)家的精神追求是不相容的。我們物理學(xué)家早上去大學(xué)上班時(shí)，可不是突發(fā)奇想“好，今天就掀起時(shí)空概念的革命吧”，繼而開(kāi)始搞起研究的。我們平常思考的是關(guān)于各個(gè)物理現(xiàn)象的具體研究課題。
不過(guò)，對(duì)于研究最尖端的基本粒子物理學(xué)來(lái)說(shuō)，引力理論和量子力學(xué)都很重要。因此，我們正在探求一種能夠消除引力理論和量子力學(xué)之間的矛盾，并能將二者有機(jī)結(jié)合的新理論。各種應(yīng)運(yùn)而生的理論相繼被推翻，最后剩下了以“弦”為物質(zhì)基礎(chǔ)的超弦理論。
另外，在該理論的數(shù)學(xué)邏輯確認(rèn)研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了空間的維度變化這一驚人的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，對(duì)自然本質(zhì)的科學(xué)探求，引領(lǐng)我們不得不重新思考“空間是什么”。我撰寫(xiě)本書(shū)的目的就是想讓大家也能夠理解這一點(diǎn)。
關(guān)于本書(shū)的閱讀方法，下面贅述幾點(diǎn)個(gè)人建議。
我在撰寫(xiě)這本書(shū)時(shí)，使用了最低限度的相關(guān)專業(yè)背景知識(shí)，來(lái)介紹超弦理論的最新研究成果。不過(guò)，為闡述后面內(nèi)容做準(zhǔn)備，第一章和第二章將先講解一些關(guān)于量子力學(xué)和基本粒子論的基礎(chǔ)知識(shí)。
如果有的讀者想盡早閱讀超弦理論部分，或者感到這兩章讀起來(lái)有困難，不妨先閱讀第三章，真正介紹超弦理論是從第三章開(kāi)始的。掌握了該理論的全貌后，如果還想深入了解的話，可以再回過(guò)頭來(lái)閱讀前面的章節(jié)。
第三章介紹了超弦理論體系下作為物質(zhì)基礎(chǔ)的基本粒子和粒子之間的作用力。另外還解釋了“弦理論”轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺依碚摗钡脑颍⒃敿?xì)講解了兩者的差異以及發(fā)展過(guò)程。
第四章闡明了超弦理論中關(guān)于“空間的維度限定”之理由。超弦理論的一大特征是，空間的維度是確定的。本書(shū)嘗試對(duì)其中的原因進(jìn)行解釋說(shuō)明。不過(guò)，剛開(kāi)始閱讀的時(shí)候不要覺(jué)得太難，即使以“在超弦理論中維度是確定的”為前提輕松地閱讀，也不會(huì)為后面內(nèi)容的理解設(shè)置障礙。
第五章的內(nèi)容脫離了超弦理論的主線，介紹了引力和電磁力等自然界中所有力的統(tǒng)一原理。這個(gè)原理叫作“規(guī)范場(chǎng)論”。關(guān)于基本①粒子的基本理論（標(biāo)準(zhǔn)模型）和之后登場(chǎng)的超弦理論都涉及了這個(gè)原理，所以本書(shū)盡量簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確地解釋了“規(guī)范場(chǎng)論”。不過(guò)，如果覺(jué)得概念過(guò)于抽象，難于理解，只要記住“規(guī)范對(duì)稱性”這個(gè)詞語(yǔ)后，接著讀下一章就可以了。在后面的內(nèi)容中會(huì)再次遇到“規(guī)范對(duì)稱性”這個(gè)詞時(shí)，若想對(duì)其深入了解，可返回第五章閱讀。
從第六章開(kāi)始，超弦理論終于成為了主角。
第六章講述的是“第一次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論在基本粒子理論的世界里一舉成名。第八章講述的是“第二次超弦理論革命”，這次革命使超弦理論飛躍到了一個(gè)新的高度。這兩次“事件”介紹了超弦理論研究中的戲劇性的進(jìn)展與突破。另外，夾在這兩章之間的第七章，記述了我自己迷上超弦理論和投身該理論研究的原委。
第九章提出了空間是“呈展”的觀點(diǎn)。通過(guò)超弦理論的研究，我的世界觀被徹底顛覆了。我也想讓大家擁有這樣的體驗(yàn)，這就是我撰寫(xiě)本書(shū)的動(dòng)機(jī)所在。
如果空間是呈展的話，那么時(shí)間是否也是呈展的？大家也都很關(guān)心這個(gè)問(wèn)題吧？過(guò)去和未來(lái)，它們真的有什么區(qū)別嗎？時(shí)間到底是什么呢？最后的第十章是關(guān)于時(shí)間的思考。
每章的開(kāi)頭會(huì)引用與本章話題相關(guān)的文學(xué)作品或歷史文獻(xiàn)做簡(jiǎn)單引導(dǎo)。另外，每章結(jié)尾的小專欄可以讓讀者放松休息。單獨(dú)閱讀這些內(nèi)容亦是閱讀本書(shū)的樂(lè)趣所在。
拙作《引力是什么》和《強(qiáng)力與弱力》中的插圖基本上都是我自己畫(huà)的。至于本書(shū)，插圖雖不是很多，但圖表的數(shù)量不少，所以是委托專業(yè)人員制作的。不過(guò)，書(shū)中科學(xué)家們的肖像畫(huà)與前兩本書(shū)一樣，都是我自己畫(huà)的。因?yàn)槲矣X(jué)得我了解他們的研究?jī)?nèi)容，可以在畫(huà)中更多地表現(xiàn)其內(nèi)涵。
大家可以根據(jù)自己的習(xí)慣，用不同的閱讀方法來(lái)體會(huì)本書(shū)的樂(lè)趣。
接下來(lái)，就讓我為大家解釋一下物理學(xué)家認(rèn)為“空間是呈展”的理由吧。
大栗博司，美國(guó)加州理工學(xué)院理論物理講席教授，理論物理研究所所長(zhǎng)，日本東京大學(xué)Kavli數(shù)學(xué)物理學(xué)聯(lián)合宇宙研究機(jī)構(gòu)（Kavli IPMU）研究主任。東京大學(xué)理學(xué)博士，發(fā)現(xiàn)了量子場(chǎng)論與超弦理論的深層數(shù)學(xué)構(gòu)造，其研究曾獲得美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)大獎(jiǎng)（2008年）、德國(guó)洪堡研究獎(jiǎng)（2009年）、日本仁科紀(jì)念獎(jiǎng)(2009年)、日本數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)詹姆斯?西蒙斯獎(jiǎng)（2012年），《超弦理論：探究時(shí)間、空間及宇宙的本原》獲得2014年第30屆日本講談社科學(xué)出版獎(jiǎng)。
前言
第一章 為什么不是“點(diǎn)”？
1、“點(diǎn)”是沒(méi)有部分的
2、物質(zhì)是由什么組成的
3、標(biāo)準(zhǔn)模型之問(wèn)題一：暗物質(zhì)與暗能量
4、標(biāo)準(zhǔn)模型之問(wèn)題二：法解釋引力
5、解釋場(chǎng)力不可思議的“場(chǎng)”
6、點(diǎn)粒子引起的“窮大”問(wèn)題
7、不放棄“點(diǎn)”的想法
第二章 微觀世界的“窮途末路”與“柳暗花明”
1、解決窮大的兩種可能
2、光既是“波”又是“粒子”
3、“反粒子”也會(huì)引起窮大
4、“重整化”的作用超出了我們的預(yù)想
5、“重整化”讓“知的分類”變?yōu)榭赡?br />
6、引力為“重整化”關(guān)上了一道門(mén)
7、黑洞是結(jié)構(gòu)層次的終點(diǎn)
第三章 從“弦理論”到“超弦理論”
1、以根本解決方案為目標(biāo)的弦理論
2、17種基本粒子都是由一種“弦”組成的
3、“開(kāi)弦”是意大利干面條，“閉弦”是通心粉
4、為什么弦可以消除窮大
5、光子是“開(kāi)弦”的振動(dòng)
6、“閉弦”傳遞引力
7、弦理論與超弦理論的區(qū)別
8、什么是“超空間”
9、什么是“超對(duì)稱性”
10、我們?cè)诔臻g里嗎？
第四章 為什么是九維空間？
1、為什么這個(gè)世界是三維的
2、弦理論適用的空間為二十五維！
3、光子沒(méi)有質(zhì)量
4、“量子搖擺的能量”并不為0
5、“光子的質(zhì)量”之探究方法
6、不可思議的公式推導(dǎo)出二十五維
7、為什么超弦理論的維度是九維
第五章 力的統(tǒng)一原理
1、力有共通的原理
2、電磁場(chǎng)與金融市場(chǎng)相似
3、電場(chǎng)與利率
4、磁場(chǎng)與匯率
5、金融市場(chǎng)中也存在“電磁感應(yīng)”
6、電磁場(chǎng)中也存在“貨幣”
7、電磁場(chǎng)的“標(biāo)尺”是旋轉(zhuǎn)的圓
8、關(guān)于“高維度的貨幣”的楊-米爾斯理論（Yang-Mills theory）
第六章 第一次超弦理論革命
1、被拋棄的超弦理論
2、不破壞宇稱對(duì)稱性的Ⅱ型超弦理論
3、“疾病”纏身的Ⅰ型超弦理論
4、標(biāo)準(zhǔn)模型的異常被抵消
5、“三十二維的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性”
6、超弦理論與弦理論的“聯(lián)姻”——雜交弦理論
7、用“卡拉比-丘成桐空間”簡(jiǎn)化九維
8、“卡拉比-丘成桐空間”的歐拉數(shù)決定“世代數(shù)”！
9、對(duì)人擇原理的抵抗
第七章 拓?fù)湎依碚?br />
1、法忘記第一次超弦理論革命給我?guī)?lái)的感動(dòng)
2、在距離都法測(cè)量的空間內(nèi)能干什么？
3、發(fā)現(xiàn)了計(jì)算方法
4、拓?fù)渌娜私M
5、加利福尼亞州的第二次超弦理論革命
第八章 第二次超弦理論革命
1、威騰的不滿
2、一種理論的五種化身
3、結(jié)合兩種Ⅱ型理論的“T對(duì)偶性”
4、異端之美——十維的超引力理論
5、從一維的弦到二維的膜
6、可以從十維的理論導(dǎo)出九維的理論嗎？
7、“強(qiáng)度”改變維度！
8、“對(duì)偶網(wǎng)”與M理論
9、維度是什么？空間是什么？
第九章 空間是幻想
1、出現(xiàn)在十維空間內(nèi)的五維物體
2、“主角”不再是弦
3、“開(kāi)弦”纏著D膜
4、弦的復(fù)活
5、“開(kāi)弦”是“黑洞的分子”！
6、視界線是電影的銀幕
7、引力的全息術(shù)（holography）
8、空間是幻想
9、被證實(shí)的預(yù)言
10、空間是由什么組成的？
第十章 時(shí)間是“幻想”嗎
1、空間是什么
2、時(shí)間是“幻想”嗎
3、為什么時(shí)間有“方向”
4、知曉宇宙開(kāi)始的引力波和中微子
5、繼續(xù)挑戰(zhàn)超弦理論
后記
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