作者: [美] 丽莎·兰道尔
出版社: 浙江人民出版社
副标题: 宇宙探索的历程
原作名: Knockingon Heaven's Door:How Physicsand Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World
译者: 杨洁 / 符玥
出版年: 2016-12-1
页数: 480
定价: 89.90元/册
装帧: 平装
ISBN: 9787213076596
作为美国普林斯顿大学物理系第一位女性终身教授,哈佛大学、麻省理工学院第一位女性理论物理学终身教授,2007年还曾被《时代周刊》评为“100位最具影响力人物之一”, 丽莎·兰道尔在量子力学、粒子物理学与天体物理学等领域取得了卓越的成果,《叩响天堂之门》、《弯曲的旅行》和《暗物质与恐龙》组成的“宇宙三部曲”是她的代表作品。
恐龙!彗星!暗物质!听上去很像是科幻小说的场景,其实并非如此,丽莎·兰道尔书写的是科学事实。《暗物质与恐龙》以恐龙灭绝为切口,探索宇宙万物的互联。发生在6600万年前的生物大灭绝,或许是某位“天外来客”突然迎头撞上地球的结果,这次灾难性事件导致了恐龙和其他生物的灭绝,同时开启了地球生命新的进化历程。有关恐龙灭绝原因的这个天方夜谭式的推断,已经得到许多确凿的证据。比如,科学家通过检验被6600万年前的河床掩埋的岩石地层,他们能够断定其中存在着含量异常大的铱。铱在地球上很少被找到,但在地外天体(如流星)中经常被发现。
兰道尔考察了大量的陨石坑记录,材料有力地支撑了以上推断。进一步的论述更有意思。兰道尔发现,众多小行星的瀑布式碰撞造成的陨石坑数量很大,但它们的行为是无序的,对周期性的研究应有更大的科学价值,而真正具有周期性的只能是彗星,而且只能是那些从遥远的奥尔特云飞来的彗星。结论从何而来?太阳系最外围就是奥尔特云,我们可以将其想象成一个由很多较小天体组成的,可能延伸至超过5万倍日地距离处的球状天体。太阳的引力让这些天体保持在它们的轨道上,但在某些情况下,在某些周期性的时间点,有些天体会脱轨逃逸并变成彗星。为何如此?恒星扰动和银河系潮汐说的解释很有道理。但是,有个情况让科学家们深受困扰,因为恒星扰动和潮汐说都只能产生缓慢的变动,但无法造成“临门一脚”的戏剧性效果。在那个瞬间,促成逃跑成功的“主谋”,是否还有其他?是的,现在还不能明确它们都是谁,只能笼统地暂且称之为“暗物质”。
你相信吗?我们自古就对宇宙发出上下求索的疑问,构成宇宙的东西究竟是些什么,居然到现在还不知道。经过一系列方程计算,借助微波辐射测量,所有星星、星系和星云的分量大概只有1%,最多不超过5%,其余看不见摸不着的只能暂且归之为“暗物质”和“暗能量”。暗物质对大群星体产生明显的引力作用,暗能量则推动我们的宇宙加速膨胀。根据弦理论,在更大的十维空间里,可能存在我们尚未观测到、难以想象的,更多的暗物质粒子。科学家不断猜测论证,真的有高维度的其他宇宙与我们的宇宙平行吗?来吧,来一场《弯曲的旅行》,让我们化身成为掉进时空隧道的爱丽丝,借助高维空间的跳跃来实现自己的星际梦想。
生活在地球上的我们,视线接收到任何一个物体的长、宽、高,就迅速地在脑海里形成对这个物体的基本认知。我们理所当然地认为自己天天生活在三维世界之中。爱因斯坦扩展了这个概念,把时间作为第四维包括了进来。例如,新年宴客,主人要和客人说清楚时间,即为了详述一个事情,我们必须对它的第四维——发生的时间加以描述。“维度”这个词似乎很学术,“额外维度”尤其让人迷惑。兰道尔打了一个形象的比喻。如果将维度应用于人:阿西娜,艾克的妹妹,酷爱读书的11岁小女孩,了解时事,还养猫头鹰做宠物。如果将阿西娜作为五维空间的一个点,对应的轴有年龄、每周读书数量、数学平均成绩、每天读报时间以及所养猫头鹰的数量。问题是:我们具有对阿西娜的整体认知,但我们无法画出这样一种空间图,五条轴要构成一个五维空间,所有的电脑程序目前都做不到。
就是这么简单!物理之美,最美在简洁。就像爱因斯坦著名的质能方程式,如此极致的简单,却可以将无尽的宇宙之谜,将相对论的深邃内涵囊括其中。当然啦,它也不是尽善尽美的。兰道尔被媒体评价为“挑战爱因斯坦”,就是因为她认识到了,我们可以用一种简洁的、精致的方式简化庞大的信息量。物理学基本定律在高维度之中可以表现得更为简单。歌德曾经写道:“教条是灰色的,而生命之树常青。”量子物理呈现的世界与我们的常识时不时发生悖论,不断提醒我们必须打破思维的壁垒。小女孩的比喻只是一个开端,目标是将这种思维方式转移到宇宙学研究领域。
经典科幻小说《平面国》描述主角正方形A走出二维平面图,进入三维世界游历一番之后,认识到平面国只不过是一个更大的三维世界切片而已。同理:包围我们的三维世界可能就是高维世界的一个三维切片。人类生活在地球表面,在我们的感观里,我们经常把生活阈限在“平面国”。从科学的严谨角度,我们熟知的欧式几何意义的直线在地球表面甚至是不存在的。它实质上是无数微乎其微的曲线的集合。自黎曼以来的数学家们,研究了由不同的时空域叠接在一起的多连通空间的性质。这项研究已经被物理学家作为我们宇宙的实际模型而加以研究。宇宙可能就是一个辉煌壮观的建筑,将所有位于其中的膜连接起来。时空是弯曲的。每个膜都是一个宇宙。我们就生存在一个膜上,那就是我们的家园。
膜俘获了多数的粒子和力,在我们看不见的额外维度,在其他的膜宇宙里,是否还有其他的生命?宇宙的结构与暗物质有关。科学研究表明,由于暗物质和它自己以及其他物质不发生除了引力以外的作用,它是促使宇宙膨胀时在自身引力下形成特定结构的首要物质类型。2002年,19名权威物理学家和天文学家联合执笔,向美国国家研究委员会提交了一份报告,列出了新世纪要解答的11个科学问题,其中“什么是暗物质”列在第一位。报告同时建议美国政府研究机构加强协调,集中资源为这些难题寻找答案。美国建造超导超级对撞机的计划后来因为造价昂贵以及政治集团之间的矛盾而流产。欧洲的大型强子对撞机是当今唯一的极高能加速器。兰道尔和很多科学家都积极投入有关对撞机的观察分析,让与此有关的讨论日益进入公众的视野。这就是她撰写《叩响天堂之门》的一个目的。
大型强子对撞机是目前最重要的粒子物理学实验仪器。通过产生高能量的粒子,对另一个粒子进行撞击,撞击可能产生出新的粒子,也可能会造成两者的相互作用,相互作用后的粒子会和探测器物质发生反应。这样人们就可以了解作用后的粒子状态,再将它与之前的粒子状态进行比较,就可以倒推出新
粒子的性质。兰道尔说:“在小到无人测量过的尺度,以及高到无人探索过的能标上揭示物质结构之谜。”中国要不要建造大型强子对撞机?目前因各种条件限制,尚未达成一致意见,但在这个领域的研究并未放松。2015年12月17日“悟空”号暗物质粒子探测卫星的发射成功,表明我们的宇宙探索之旅又跨出了重要的一步。
兰道尔结合欧洲大型强子对撞机的最新进展,从对撞机相互作用着的粒子的有趣迹象之中,观察它们能否为隐藏其中的引力与其他相互作用力的潜在本质提供重要的线索。这些信号本身也许最终可以阐明引力的某些性质。兰道尔反复提到了一个关键词——尺度。在对宏观世界和微观世界这两个极端尺度的研究中,科学家们都取得了令人吃惊的进展。对微观世界的描述,定义了最小的已知物质粒子和它们相互作用的方式。长久以来,粒子物理学家们一直怀疑未发现的微观世界要比已发现的更加丰富。尽管我们理解粒子和它们的相互作用,我们却并不知道究竟是什么基本物理机制决定了每个粒子的质量。强子对撞可以提供观察的契机,尽管只是短短的一瞬。我们有理由怀疑当前的粒子世界模型,实际上是嵌套在一个更普适的模型之中,而隐形的暗物质可能正是具有合适属性的新型粒子。
丽莎·兰道尔的“宇宙三部曲”是非常好的科普佳作,深入浅出,语言晓畅,以科学的诗意展现了宇宙的壮美。赫胥黎曾说过:“已知是有限的,未知是无限的;我们理智地站在无边无际的未知海洋的一个小岛上。我们每一代的职责是多开拓一点陆地。”我们的宇宙大约有138亿年的历史,地球围绕太阳转了将近45亿圈,人类诞生仅仅只有200万年,文明的历史更不过区区20000年。当我们仰望星空,巡看点点银河,当我们回顾地球历史,思考恐龙、彗星和暗物质之间的互联,思考人类的起源和发展,我们会由衷地对天地穹苍生出敬畏之心。