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搜狐 創始人 、 董事局主席兼執行長 、 物理學博士張朝陽和美國哈佛大學教授 、 物理系系主任 ， 美國國家科學院院士 ， 狄拉克獎與基礎物理學突破獎獲得者Cumrun Vafa （ 庫姆倫 · 瓦法 ） 日前展開了一場長達2小時的高精尖物理知識對談 。
兩位麻省理工學院物理系校友從量子力學的歷史與困境 ， 聊到當今物理學最前沿的超弦理論和神秘的高維時空 ， 還探討了物理與數學實驗如何跨領域交融等話題 。
瓦法教授是當代理論物理學界最享有盛譽的學者之一 ， 其在弦理論方面的開創性工作聞名世界 。 他與合作者共同推動了 「 對偶理論 」 的發展 ， 重塑了我們對宇宙基本定律的理解 。 作為弦理論中 「 F理論 」 和 「 沼澤地綱領 」 的創始人 ， 瓦法教授在對談中與張朝陽分享了關於量子重力的最新研究 ， 帶領觀眾一起直面前沿科學思想與科學成果 。
談時空變革 ： 相對論讓物理學邁出了一大步
瓦法教授提到 ， 「 伽利略是一個天才 ， 他透過直覺與實驗的結合 ， 提出了慣性定律 ， 被認為是物理學的開端 。 」 自此之後 ， 牛頓力學的三大定律和馬克士威電磁效應方程式組都是透過經驗 、 觀測和總結來理解自然與時空的 。
轉折點出現在馬克士威發現這些方程式之間並不自洽時 。 為了解決問題 ， 他添加了現在稱之為 「 馬克士威項 」 的一項 。 張朝陽表示 ， 正是這一項帶來了從絕對時空觀到相對時空觀的轉變 ， 馬克士威在這一項中引入了一個常數 ， 恰好是測量到的光速 ， 而光速是速度的極限 ， 是宇宙中最快的速度 。
由於經典波動力學需要透過介質傳播 ， 馬克士威及其後數代物理學家深陷於以太的迷霧中 。 到19世紀末 ， 勞侖茲發現伽利略的物理原理並不適用於電磁理論 ， 並提出了恰當的修正 。 隨後 ， 愛因史坦意識到光速對所有勻速運動的人來說都是一樣的 ， 時間和空間是可以相互轉換的 ， 於是我們進入了狹義相對論的時代 。
「 為什麽我們非得是勻速運動呢 ？ 」 「 當然還得有加速度 。 」 瓦法教授和張朝陽表示 ， 愛因史坦往前多邁了一步 ， 帶來了廣義相對論 。 他想到了有加速度的參考系 ， 想到了等效原理 （ 描述力作用效果的慣性品質等於決定物體受重力強弱的重力品質 ） ， 張朝陽補充道 ， 「 這兩個方向殊途同歸 ， 讓愛因史坦洞察到了重力的本質 —— 時空的彎曲 。 」
瓦法教授認為 ， 廣義相對論不僅革新了時空觀 ， 還革新了物理學的方法論 。 自廣義相對論問世以來 ， 物理學家們意識到物理理論可以是幾何理論 。 以前 ， 物理學主要是受力分析和解方程式 ， 誰能想到數學課本上的全等 、 相似 、 旋轉等幾何概念也是物理學的重要基礎呢 ？ 「 這是愛因史坦對物理學最大的貢獻 ， 使物理學邁出了一大步 。 」 瓦法教授總結道 。
談量子特性 ： 當下是所有可能的總和
20世紀最震撼人心的物理學理論莫過於量子力學 。 如果相對論告訴我們生活在一個被壓彎的 「 彈簧床 」 上 ， 量子力學則解釋了為什麽我們是穩定的 ， 為什麽今天的我和明天的我是同一個人 。 張朝陽說 ， 沒有量子力學 ， 世界就是一堆灰 。
那麽 ， 量子力學究竟是什麽 ？ 張朝陽解釋 ， 當你有一個束縛態時 ， 你有整數級別的能量級別 ， 這就是量子 。 量子力學的另一個特征是疊加原理 ， 正如雙縫幹涉實驗所揭示的 ， 一個微觀粒子的運動是它所有可能走過的路徑的總和 。
量子力學解析了氫原子 ， 也解析了化學鍵 。 對話中 ， 張朝陽稱化學鍵是歐本海默的傑作 ， 他將重的質子和輕的電子分成兩部份來計算 ， 對質子來說 ， 快速運動的電子提供了一個黏合作用 。
這種方法被稱為有效理論 。 觀察裝置總有最大分辨率 ， 比如飛馳的汽車在長快門相機中只是一片模糊的陰影 ， 肉眼能看見手掌卻看不見細胞 。 在限定分辨率後 ， 只有相應尺度的物件是重要的 ， 小尺度部份會在疊延長被抹勻平均 ， 僅表現為對大尺度部份的某種影響 。 張朝陽形象地稱其為 「 放縮效應 」 ， 而瓦法教授更喜歡用 「 背景 」 來形容被平均的小尺度部份 ， 這是物理學的基本原理之一 。
談超弦理論 ： 當量子遇上重力時空有了更多可能
遇事不決 ， 量子力學 。 面對重力和時空 ， 量子力學真的無計可施了嗎 ？ 瓦法教授認為 ， 弦理論是一種可靠的量子重力理論 。
弦理論第一次廣為人知 ， 是因為美劇 【 生活大霹靂 】 中主人公謝耳朵 （ Sheldon ） 對其無休止的誇贊 ， 現實中的瓦法教授便是當代首屈一指的弦理論物理學家 。 他介紹 ， 弦理論的核心觀點是點粒子不僅僅是點狀物體 ， 而可能是一維的弦 ， 甚至是膜 ， 或者更高維度的物體 。 這些物體的振動模式 ， 對應了電子 、 光子 、 重力子等不同的微觀粒子 。
正如瓦法教授等弦理論學者的觀念 ， 世界不僅只有四個維度 （ 時間和空間 ） ， 空間的維度可能超過三維 。 額外的維度透過幾何方法表達其他交互作用 。 例如 ， 可以透過引入一個額外的圓 （ 第五維 ） 來統一電力和磁力與重力 ， 此時電荷變成了動量 ， 這便是卡魯紮-克雷因理論 。
在具有超對稱性的弦論中 ， 世界被確認是有且只有十維的 —— 一個時間的維度 ， 三個可見的空間維度 ， 和六個藏起來的額外維 。 如果不引入這些個額外維 ， 理論就不自洽了 ， 瓦法教授解釋 ， 這是數學或者幾何帶給我們的確定性結論 ， 也是弦理論的優雅所在 。
談物理學習 ： 數學是一種通用的語言
在學生提問環節 ， 被問到好奇心和想象力在學術研究領域的重要性 ， 瓦法教授表示 ， 科學的核心在於追求好奇心 。 他回憶起自己七八歲時 ， 擡頭看天空時會思考 「 為什麽月亮沒有掉到地上 」 ， 這種對答案的渴望驅使他開始探索物理學 。 他認為 ， 想象力比知識更重要 ， 因為知識可以從書本中獲取 ， 但想象力能夠推動你邁出下一步 。
張朝陽補充道 ， 有些知識是不加思考地吸收了 ， 隨著好奇心減少 ， 興奮度和創造力也會消失 。 他與瓦法教授分享了自己過去一年研習廣義相對論的心得 ， 在他看來 ， 雖然廣義相對論的數學相當繁雜 ， 但經過在黑板上反復計算 ， 你會得到相當準確可靠的光線偏轉角度和語言 。 瓦法教授對此表示認同 ， 數學會引導你並告訴你什麽是物理的結果 ， 而且數學在某種程度上比我們更聰明 。
張朝陽進一步提到 ， 薛丁格方程式是一個非常好的例子 ， 復數本來只是一個數學結果 ， 但薛丁格接受並運用了它 ， 得到了量子力學的基本方程式 。 瓦法教授則以狄拉克方程式對正電子的預言和對自旋的解釋為例 ， 認為數學的一致性推動了物理學 ， 簡單的數學可能是極其深刻的物理學 ， 很多物理學概念是從數學的簡單想法中理解的 。 在瓦法教授的科普書 【 解開宇宙之謎 】 中 ， 他也遵循了這一理念 ， 用幾個簡單的數學謎題 ， 揭示了諸如 「 對稱性破缺 」 、 「 最小作用量原理 」 等物理原則 。
對談結束後 ， 二人互贈書籍 。 張朝陽將 【 張朝陽的物理課 】 第一 、 二卷贈予了瓦法教授 ， 他表示 ， 「 雖然這兩本是中文物理書 ， 但數學是一種通用語言 ， 相信您也能看懂其中表達 。 」
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