雷递网 乐天 7月19日
搜狐 创始人 、 董事局主席兼首席执行官 、 物理学博士张朝阳和美国哈佛大学教授 、 物理系系主任 ， 美国国家科学院院士 ， 狄拉克奖与基础物理学突破奖获得者Cumrun Vafa （ 库姆伦 · 瓦法 ） 日前展开了一场长达2小时的高精尖物理知识对谈 。
两位麻省理工学院物理系校友从量子力学的历史与困境 ， 聊到当今物理学最前沿的超弦理论和神秘的高维时空 ， 还探讨了物理与数学实验如何跨领域交融等话题 。
瓦法教授是当代理论物理学界最享有盛誉的学者之一 ， 其在弦理论方面的开创性工作闻名世界 。 他与合作者共同推动了 「 对偶理论 」 的发展 ， 重塑了我们对宇宙基本定律的理解 。 作为弦理论中 「 F理论 」 和 「 沼泽地纲领 」 的创始人 ， 瓦法教授在对谈中与张朝阳分享了关于量子引力的最新研究 ， 带领观众一起直面前沿科学思想与科学成果 。
谈时空变革 ： 相对论让物理学迈出了一大步
瓦法教授提到 ， 「 伽利略是一个天才 ， 他通过直觉与实验的结合 ， 提出了惯性定律 ， 被认为是物理学的开端 。 」 自此之后 ， 牛顿力学的三大定律和麦克斯韦电磁效应方程组都是通过经验 、 观测和总结来理解自然与时空的 。
转折点出现在麦克斯韦发现这些方程之间并不自洽时 。 为了解决问题 ， 他添加了现在称之为 「 麦克斯韦项 」 的一项 。 张朝阳表示 ， 正是这一项带来了从绝对时空观到相对时空观的转变 ， 麦克斯韦在这一项中引入了一个常数 ， 恰好是测量到的光速 ， 而光速是速度的极限 ， 是宇宙中最快的速度 。
由于经典波动力学需要通过介质传播 ， 麦克斯韦及其后数代物理学家深陷于以太的迷雾中 。 到19世纪末 ， 洛伦兹发现伽利略的物理原理并不适用于电磁理论 ， 并提出了恰当的修正 。 随后 ， 爱因斯坦意识到光速对所有匀速运动的人来说都是一样的 ， 时间和空间是可以相互转换的 ， 于是我们进入了狭义相对论的时代 。
「 为什么我们非得是匀速运动呢 ？ 」 「 当然还得有加速度 。 」 瓦法教授和张朝阳表示 ， 爱因斯坦往前多迈了一步 ， 带来了广义相对论 。 他想到了有加速度的参考系 ， 想到了等效原理 （ 描述力作用效果的惯性质量等于决定物体受引力强弱的引力质量 ） ， 张朝阳补充道 ， 「 这两个方向殊途同归 ， 让爱因斯坦洞察到了引力的本质 —— 时空的弯曲 。 」
瓦法教授认为 ， 广义相对论不仅革新了时空观 ， 还革新了物理学的方法论 。 自广义相对论问世以来 ， 物理学家们意识到物理理论可以是几何理论 。 以前 ， 物理学主要是受力分析和解方程 ， 谁能想到数学课本上的全等 、 相似 、 旋转等几何概念也是物理学的重要基础呢 ？ 「 这是爱因斯坦对物理学最大的贡献 ， 使物理学迈出了一大步 。 」 瓦法教授总结道 。
谈量子特性 ： 当下是所有可能的总和
20世纪最震撼人心的物理学理论莫过于量子力学 。 如果相对论告诉我们生活在一个被压弯的 「 弹簧床 」 上 ， 量子力学则解释了为什么我们是稳定的 ， 为什么今天的我和明天的我是同一个人 。 张朝阳说 ， 没有量子力学 ， 世界就是一堆灰 。
那么 ， 量子力学究竟是什么 ？ 张朝阳解释 ， 当你有一个束缚态时 ， 你有整数级别的能量级别 ， 这就是量子 。 量子力学的另一个特征是叠加原理 ， 正如双缝干涉实验所揭示的 ， 一个微观粒子的运动是它所有可能走过的路径的总和 。
量子力学解析了氢原子 ， 也解析了化学键 。 对话中 ， 张朝阳称化学键是奥本海默的杰作 ， 他将重的质子和轻的电子分成两部分来计算 ， 对质子来说 ， 快速运动的电子提供了一个黏合作用 。
这种方法被称为有效理论 。 观察设备总有最大分辨率 ， 比如飞驰的汽车在长快门相机中只是一片模糊的阴影 ， 肉眼能看见手掌却看不见细胞 。 在限定分辨率后 ， 只有相应尺度的对象是重要的 ， 小尺度部分会在叠加时被抹匀平均 ， 仅表现为对大尺度部分的某种影响 。 张朝阳形象地称其为 「 放缩效应 」 ， 而瓦法教授更喜欢用 「 背景 」 来形容被平均的小尺度部分 ， 这是物理学的基本原理之一 。
谈超弦理论 ： 当量子遇上引力时空有了更多可能
遇事不决 ， 量子力学 。 面对引力和时空 ， 量子力学真的无计可施了吗 ？ 瓦法教授认为 ， 弦理论是一种可靠的量子引力理论 。
弦理论第一次广为人知 ， 是因为美剧 【 生活大爆炸 】 中主人公谢耳朵 （ Sheldon ） 对其无休止的夸赞 ， 现实中的瓦法教授便是当代首屈一指的弦理论物理学家 。 他介绍 ， 弦理论的核心观点是点粒子不仅仅是点状物体 ， 而可能是一维的弦 ， 甚至是膜 ， 或者更高维度的物体 。 这些物体的振动模式 ， 对应了电子 、 光子 、 引力子等不同的微观粒子 。
正如瓦法教授等弦理论学者的观念 ， 世界不仅只有四个维度 （ 时间和空间 ） ， 空间的维度可能超过三维 。 额外的维度通过几何方法表达其他相互作用 。 例如 ， 可以通过引入一个额外的圆 （ 第五维 ） 来统一电力和磁力与引力 ， 此时电荷变成了动量 ， 这便是卡鲁扎-克莱因理论 。
在具有超对称性的弦论中 ， 世界被确认是有且只有十维的 —— 一个时间的维度 ， 三个可见的空间维度 ， 和六个藏起来的额外维 。 如果不引入这些个额外维 ， 理论就不自洽了 ， 瓦法教授解释 ， 这是数学或者几何带给我们的确定性结论 ， 也是弦理论的优雅所在 。
谈物理学习 ： 数学是一种通用的语言
在学生提问环节 ， 被问到好奇心和想象力在学术研究领域的重要性 ， 瓦法教授表示 ， 科学的核心在于追求好奇心 。 他回忆起自己七八岁时 ， 抬头看天空时会思考 「 为什么月亮没有掉到地上 」 ， 这种对答案的渴望驱使他开始探索物理学 。 他认为 ， 想象力比知识更重要 ， 因为知识可以从书本中获取 ， 但想象力能够推动你迈出下一步 。
张朝阳补充道 ， 有些知识是不加思考地吸收了 ， 随着好奇心减少 ， 兴奋度和创造力也会消失 。 他与瓦法教授分享了自己过去一年研习广义相对论的心得 ， 在他看来 ， 虽然广义相对论的数学相当繁杂 ， 但经过在黑板上反复计算 ， 你会得到相当准确可靠的光线偏转角度和语言 。 瓦法教授对此表示认同 ， 数学会引导你并告诉你什么是物理的结果 ， 而且数学在某种程度上比我们更聪明 。
张朝阳进一步提到 ， 薛定谔方程是一个非常好的例子 ， 复数本来只是一个数学结果 ， 但薛定谔接受并运用了它 ， 得到了量子力学的基本方程 。 瓦法教授则以狄拉克方程对正电子的预言和对自旋的解释为例 ， 认为数学的一致性推动了物理学 ， 简单的数学可能是极其深刻的物理学 ， 很多物理学概念是从数学的简单想法中理解的 。 在瓦法教授的科普书 【 解开宇宙之谜 】 中 ， 他也遵循了这一理念 ， 用几个简单的数学谜题 ， 揭示了诸如 「 对称性破缺 」 、 「 最小作用量原理 」 等物理原则 。
对谈结束后 ， 二人互赠书籍 。 张朝阳将 【 张朝阳的物理课 】 第一 、 二卷赠予了瓦法教授 ， 他表示 ， 「 虽然这两本是中文物理书 ， 但数学是一种通用语言 ， 相信您也能看懂其中表达 。 」
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