宇宙的结构.空间,时间以及真实性的意义

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    作  者 :
    (美)布赖恩.格林 著作 刘茗引 译者
    所属分类 :
    图书 > 科学与自然 > 物理学 > 物理学理论
    图书 > 科学与自然 > 科普读物
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    宇宙的结构.空间,时间以及真实性的意义
    • 作 者:(美)布赖恩.格林 著作 刘茗引 译者
    • 出版社:湖南科学技术出版社
    • 出版时间:2012-04-01
    • 开 本:32开
    • 页 数:591
    • 印刷时间:2012-04-01
    • 字 数:494.00千字
    • 装 帧:平装
    • 语  种:中文
    • 版 次:1
    • 印 次:1
    • I S B N:9787535771391
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    媒体评论

    将读者的想象力送上了一次奇妙的穿越宇宙之旅……富于技巧却又耐心阐释……他那对于科学处在重大突破门前的兴奋之情令每个人感同身受。”
    ——《纽约时报》
    “一次纯粹的智力探险,本书可算是尽善尽美……甚至可与霍金的《时间简史》相媲美,格林的书展示了其勃勃雄心……剥去复杂概念的神秘外衣,却又保留了科学的原汁原味。”
    ——《今日新闻》
    “内容丰厚,却又明晰诙谐……在介绍广义相对论及量子力学——真正理解空间和时间的知识领域——的奇思妙想方面没有能出其右者”
    ——《探索》
    “或许是当今世界深奥科学*好的解读者……在寻找正确的妙比方面,格林独具天赋。”
    ——《华盛顿邮报》    

    主编推荐

    作者为世界知名学者,超弦理论的国际权威,其作品《宇宙的琴弦》在全世界引起巨大反响
    本书是作者继《宇宙的琴弦》之后的第二本关于宇宙的普及读物,可以作为《宇宙的琴弦》的续篇。本书具有更高的立足点。如果说《宇宙的琴弦》是在相对论和量子论的框架下具体地介绍弦理论及其物理学结果,那么本书则是从更高的角度来讨论时空和宇宙的物理学。
    作者介绍 [美] 布赖恩?R?格林,毕业于哈佛大学,在牛津大学获博士学位。1990年,他来到康奈尔大学物理系,1995年被聘为教授,1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家和地区开过普及讲座和专业讲座,被认可在超弦理论中有过许多开拓性的发现。 

    内容简介

    布赖恩.格林等编著的《宇宙的结构――空间时间以及真实性的意义》具有更高的立足点。如果说《宇宙的琴弦》是在相对论和量子论的框架下具体地介绍弦理论及其物理学结果。那么本书则是从更高的角度来讨论时空和宇宙的物理学。《宇宙的结构――空间时间以及真实性的意义》: **部分从“实在性”讨论时空,特别是量子时空; 第二部分讲时间的方向性,从经典与量子的角度讨论时间箭头: 第三部分讲时空和宇宙学,涉及了一些新内容,比如暴胀宇宙和相关的宇宙学问题; 第四部分讲大统一的起源,即从弦和膜的观点来讨论宇宙学问题; 第五部分讲实在与幻想,谈一些新实验(比如引力波和基本粒子的新实验),也谈时空旅行和时间机器,还展望了弦理论的未来。

    精彩内容

        第1部分  实在性之舞台
        第1章  通往实在性之路
        空间、时间以及事物为什么是那个样子


        我的父亲并不介意别人碰他那布满灰尘的旧书架上的任何一本书。但从小到大,我从未见过任何人从中取下一本。那些书多半是大部头——涉及方方面面的文明史、成套的西方文学巨著以及大量我已记不起来的其他书籍——它们看起来已经和因为数10年牢固的支撑工作而微微弯曲的架子融为一体了。但是在书架的*上一层,有一本薄薄的小书总能引起我的注意,因为它看起来如此不合时宜,就像大人国中的格利佛一样。现在回想起来,很奇怪我那时候竟然没有早点读一读那些书。或许是因为年头太久了,使得那些书不像是用来读的,倒像是祖上流传下来的传家宝一样,令人不敢碰触。不过,这种敬畏之心还是敌不过10来岁孩子不安分的天性。我*终拿起了那本书,拂去表面的灰尘,翻开了**页。那*开始的几行文字,即使退一步说,也令人**吃惊。
        “只有一个真正的哲学问题,那就是自杀”,这本书就是这样开始的。我有点退缩了。“这个世界是三维空间吗?意识有9种还是12种方式?”这本书提出诸如此类的问题,并解释说这些问题是人类勇敢天性作用下的一部分,但是只有当那个真正的问题解决时这些问题才值得讨论。这本书就是阿尔及利亚哲学家诺贝尔奖得主阿尔伯特?加缪所作的《西绪福斯神话》。后来的一段时间内,随着对他所说的话的逐渐理解,我心中感到的那丝冰冷才慢慢融化。当然,我觉得你可以一直思考和分析这些问题,但是真正的问题却在于你所有的思考和分析是否使你确信生命值得存在。那才是所有问题的症结所在,其他事情都只是细节而已。
        虽然我只是偶然读到加缪的书,但他的话给我留下了极为深刻的印象,时常萦绕耳旁,这远非我读过的其他书所能比拟的。我一次又一次的想:我所遇到的、听说过的或者在电视上看到的各种各样的人会怎样回答这一根本性的问题呢。回想起来,尽管他的第2个论断——关于科学进步所起的作用——对我来说,更具有特殊意义的挑战性。加缪认为理解宇宙结构确实有价值,但是据我所知,他并不认为这种理解可以改变我们对生命价值的评价。现在看来,十几岁的我读有关存在主义哲学的书就像巴特?辛普森读浪漫诗歌一样深奥,但是即便如此,加缪的论断仍然带给了我相当大的震撼。对于这个具有抱负的唯物论者而言,对生命做出明智的评价需要对生命舞台——宇宙的全面理解。我忍不住想,如果人类居住在深埋在地下的岩石洞穴里,那么我们就不会发现地球的表面、明媚的阳光、海洋的微风以及远离我们的星球;假设人类沿着一个不同于现在的方向进化:如果人类不能获得除触觉以外的其他感觉,那么我们所知道的一切事物将来自于对周围环境的触觉印象;如果人类大脑发育停止在儿童早期,那么我们的情商和分析能力将不会超过一个5岁的孩子——简而言之,如果我们的经历仅仅是一些对实在性的琐碎描绘——那么我们对生命的评价将大打折扣。当我们*终寻找到通往地球表面的路,当我们具有了视觉、听觉、嗅觉和味觉时,当我们的大脑能够发育到正常水平时,我们对生命和宇宙的看法必然将发生根本性的变化。这样看来,我们现有的对实在性的理解将会对所有哲学问题的基础产生非同小可的影响。
        会产生什么影响呢?或许你会这样问。任何一位清醒冷静的思考者都会得出这样的结论:虽然我们不可能理解宇宙的每一样东西——关于物质运转和生命功能的方方面面——但是我们仍然可以在大自然的画布上按照自己的意愿添上粗糙的几笔。确实正如加缪所暗示的那样,物理学上的进步,比如对空间维度数目的理解;或者神经心理学的进步,比如对大脑的所有组织结构的理解;或者,就此而言,其他大量的科学进步都可以说是构成了重要的细节,但它们对我们理解生命和实在性的影响却微乎其微。的确,实在性是我们对世界的认识;实在性是通过我们的经验而展现在我们眼前的。
        在某种程度上,我们当中的许多人对实在性都会有上述的看法,只是未明确表述出来而已。我发现自己在日常生活中常以这种方式思考;这样我们就很容易被自然的表象所迷惑。但是,从我**次读到加缪的书以来的几十年间,我发现现代科学给我们上了与众不同的一课:上个世纪以来的科学研究告诉我们,人类的经验往往会对我们理解实在性的本质的起误导作用。隐藏在日常生活背后的是一个我们几乎没有多少了解的世界。神秘现象的追随者、占星术的信徒以及那些宣扬超自然的宗教主义的人们,尽管其观点各不相同,但都得到了类似的结论。但那并不是我要说的,我要说的是天才的创造者和孜孜不倦的科学家们的工作,如同剥洋葱一样,揭开了宇宙一层层的面纱,探索了一个又一个的难题,向我们了展示了一个完全不同于平常人们所认识的宇宙,一个令人惊奇、兴奋和优雅的宇宙。
        但是这些科学进展也只是细节而已。自然科学的重大突破已经驱使并且有力量继续驱使我们的宇宙观发生戏剧性的变化。现在,我仍然像几十年前一样确信,加缪把生命的价值作为基本问题讨论是正确的,但现代自然科学让我相信,通过日常经验来评价生命就像通过一个空可乐瓶来凝视凡高一样。作为先锋的现代科学,向我们的基本感知发起了一轮又一轮的攻击,使我们对我们存于其间的这个世界产生了很多概念性的迷惑。因此,即便加缪把物理问题分离出来并置于从属地位,我仍然相信科学才是*根本的。在我看来,科学的实在性为反驳加缪的观点提供了舞台和一些启示。评价存在性问题而忽略了现代科学的洞察力就像在黑暗中与一名不知名的对手摔跤。加强对科学实在性的真正本质的理解,将有利于重塑我们的人生观和宇宙观。
        这本书的核心在于阐释对实在性的理解起*为关键作用的一些修正,主要集中在那些长期以来影响人类时空观念的工作上。从亚里士多德到爱因斯坦,从罗盘到哈勃望远镜,从金字塔到山顶上的天文台,自从思想产生时,时空就为我们的思想确立了框架。随着现代科学的到来,它们的重要性已大大提高。近3个世纪以来,物理学的发展表明,时空观念已被看作*令人困惑且*引人注目的问题,但同时也是对宇宙进行科学分析的基础;时空观念已列于古老的科学概念之上,而这些古老的科学概念被边缘研究改建的更加奇妙。
        对于艾萨克?牛顿而言,空间和时间只不过是一个永恒不变的、普适的宇宙舞台,以便宇宙中的事件能够在此一幕幕的上演。对于同时代可与牛顿匹敌的戈特弗莱德?威廉?范?莱布尼茨而言,“空间”和“时间”只是与物体在哪里和事件何时发生有关系的词汇。换句话说,空间和事件对他们而言并不能代表什么。但对于阿尔伯特?爱因斯坦而言,空间和时间是隐藏在实在性下面的原始材料。通过相对论,爱因斯坦震撼了我们的时空观,向我们展示了它们在宇宙演化中所起的重要作用。从那时起,空间和时间就成为了物理学界*耀眼的明珠。对我们而言,时间和空间是既熟悉又神秘的;有效的理解时间和空间已成为*令物理学家胆怯的挑战,而它同时也是受欢迎的猎物。
        本书所讲述的物理学进展主要是一些关于时空结构的不同理论。其中的一些理论挑战了人类长久以来——即便没有几千年也有几百年——的时空观。另外一些理论则将试图寻找我们对时空理论的理解和日常生活经验之间的联系。而其他理论将质疑普通观念限定范围内所不能解释的一些问题。
        我们在本书中将尽可能少的涉及到哲学问题(这里当然不是指关于自杀和生命的意义的那些哲学)。但在探寻科学解释空间和时间之奥妙的过程中,我们完全是不受任何限制的。从宇宙*小的微粒和*早的时刻到其所能达到的*远的边界和*遥远的未来,我们将在熟悉和宽广的环境中探索时间和空间,不停歇的去追求其真正性质。科学家们对空间和时间的探索还在继续,此刻我们还无法做出*终的评价。我们将会介绍一系列的进展——有些**奇怪,有些令人**满意,有些已被实验证实,有些还只是空想——它们将向我们展示人类对宇宙结构的思考究竟到了何种地步,人类的指尖对实在性真正纹理的触摸已到了何种深度。
        经典意义上的实在性
        关于现代科学从何时开始,历史学家们众说纷纭,尚无定论。但毫无疑问的是,从伽利略、笛卡尔、牛顿们开始创造他们的学说时起,现代科学已经走上正轨了。在那个时代,新的科学意识体系正在稳步地建立起来,地球上和天文学上实验数据的规律性使人们越来越清楚的看到,宇宙的过去和未来是有规律可寻的,通过精密的推理和数学分析我们可以找到这些规律。富有现代科学思想的早期先驱们指出:回顾走过的科学之路,宇宙中发生的事件不仅可以解释,而且也可以预测。科学所具有的预言未来方方面面的力量——持续而定量的——早已得到了证实。
        早期的科学研究主要集中我们在日常生活中可以看到或体验的各种事物。伽利略从斜塔上抛落重物(大约是人所共知的传奇),或者观察沿斜面滚落的小球的运动;牛顿研究树上落下来的苹果(又是一段传奇)和月球轨道。这些研究的目的在于使新生的科学研究与大自然和谐一致。当然,物理学中的实在性是各种体验的来源,但更富挑战的是聆听自然的和谐之声并寻找隐藏在其背后的原因。许多著名学者和无名英雄都为早期科学的飞速发展做出了巨大贡献,但*后只有牛顿成为了舞台上的明星。通过对数学方程的运用,牛顿将地球和天空中的各种已知运动现象综合了起来。就这样,今日所谓的经典物理学诞生了。
        在牛顿完成其工作之后的几十年间,他的方程被发展出了详尽精密的数学结构,大大丰富了原始理论,扩展了其实际用途。经典物理学逐渐成为一种深奥精妙而又成熟的科学体系。但是照亮科学之路的却是牛顿富有创造性的洞察力。即使今天,300多年过去了,我们可以发现牛顿方程依然出现在世界各地的初级物理学课程中;在NASA(美国国家航空和宇宙航行局)的飞行计划里依然用牛顿方程来计算太空船的运行轨迹;在前沿研究的复杂计算中也常常有牛顿方程的一席之地。在一个单独的理论体系下,牛顿带来了丰富的物理学现象。
        但在总结他的运动学定律时,牛顿遇到了一个棘手的问题,而这个问题对于我们所要讲述的故事也很重要(第2章)。每个人都知道物体可以运动,但是这些运动发生在哪里呢?空间,也许大家都会回答。但是,牛顿却会问,空间又是什么呢?空间是一个真正的物理实体?还是人们根据对宇宙的理解而得出的一个抽象概念呢?牛顿意识到这个关键问题必须得以解决,因为如果没有对空间和时间的正确理解,他的公式将变得毫无意义。理解需要来龙去脉,思考需有正确的方向。
        因此,在他的《数学原理》一书中,牛顿用简明的语言阐述了空间和时间的概念,他认为空间和时间是优势地位的、不可改变的实体,这就为宇宙提供了一个固定而不可改变的舞台。根据牛顿的理论,空间和时间为宇宙提供了一个不可见的框架从而形成了宇宙结构。
        即使在当时,也并不是每个人都同意牛顿的说法。有些学者就指出把理论建立在你摸不到又看不着也无法影响的事物上是没有意义的。但是牛顿的解释和牛顿方程惊人的预言能力使这样观点销声匿迹。在之后的200年里,牛顿关于空间和时间的优势地位性观点成为铁律。
        相对论意义上的实在性
        经典的牛顿世界观之所以令人心悦诚服,并不仅仅是因为它能以惊人的准确度描述自然现象,更是由于这种对大自然的描述的细节之处——数学——是与经验紧密相联的。你用力推一个物体,它就会加速。你掷出球时花的力气越大,球撞墙时所发生的形变也就越大。当你挤压某个物体时,你也会感觉到那个物体在挤压你。一个物体的质量越大,它所具有的重力也就越大。所有这些都是自然世界的*基本性质。当你学习牛顿的力学体系时,你会发现所有的这一切都可由牛顿的方程清晰直观的表示出来。不同于用水晶球占卜那一套完全无法了解的骗人伎俩,任何一个只受过很少数学训练的人都可以掌握牛顿定律。经典力学为人类的直觉提供了坚实的基础。
        引力很早就被牛顿纳入到其方程之中。但直到19世纪60年代,电力和磁力才由苏格兰物理学家詹姆斯?克拉克?麦克斯韦添加到经典物理体系中。麦克斯韦需要使用新的方程来描述电力和磁力,而他所用到的数学知识需要更高层次的训练才能完全掌握。由麦克斯韦引入到经典物理体系中的新的方程在描述电磁现象上恰如牛顿方程在描述运动上那样成功。到了19世纪末,宇宙的奥秘显然已不是人类智力的对手了。
        事实上,随着电与磁的成功统一,科学家们逐渐产生了一种认识:理论物理即将完善。有人提出,物理学正在飞速的发展为一门完善的学科,它的定律不久后就会被雕刻在石碑上。1894年,著名的实验物理学家阿尔伯特?迈克逊评论道,“大多数重要的基本理论已牢固地建立起来”,他引用了一位著名的科学家的话——大多数人认为这句话是英国物理学家罗德?开尔文说的——物理学界剩下的工作只是确定小数点后的数字之类的问题。11900年,开尔文曾指出物理学界上空盘旋着两朵乌云,一个与光的运动之性质有关,另一个则是物体被加热时的辐射问题,2但在当时,大家都觉得这些也仅是一些细节问题,它们很快就会被解决。
        在随后的10年间,一切都改变了。虽然正如人们所预料的那样,开尔文提出的这两个问题很快被解决了,但是它们的解决却带来了更多的故事。每个问题的解决都导致了一场革命,都需要改写基本自然定律。空间、时间和实在性——几百年来它们不仅有效运转,而且准确的表达了我们对世界的直觉——将不得不被丢弃了。
        从1905年到1915年,阿尔伯特?爱因斯坦完成了狭义相对论和广义相对论,掀起了一场解决开尔文**朵“乌云”的革命(第3章)。在电、磁和光的运动的谜团中挣扎时,爱因斯坦意识到,经典物理学的基石——牛顿的空间和时间概念出现了状况。通过1905年春季几个星期里的努力,爱因斯坦提出:空间和时间并不像牛顿认为的那样具有独立且优势地位的存在性;两者实际上以一种与日常经验相反的形式相互联系。10年之后,爱因斯坦重写了引力定律,为牛顿定律的棺木敲上了*后一颗钉。这次,爱因斯坦指出空间和时间不仅是一个统一整体的一部分,而且通过自身的蜷曲参与了宇宙演化。空间和时间远非如牛顿所想象的那样具有稳固且不可改变的结构;在爱因斯坦的理论中,它们富有弹性并且可以不断变化。
        狭义与广义相对论是人类*宝贵的成就,爱因斯坦正是利用它超越了牛顿体系中实在性的概念。即使牛顿的经典物理学在数学上看起来与我们所能感知的物理世界相符合,但它所描述的实在性并不是我们世界的实在性。我们生活于其中的乃是一个具有相对论意义上的实在性的世界。但是,由于经典物理与相对论性物理的实在性之间的偏离只有在*端的情况下(如在速度和引力**大时)才**明显,因此在大多数情况下,牛顿理论作为一种近似,仍然具有一定的准确性及有效性。但功用性和实在性是完全不同的标准。我们将会看到,我们习以为常的空间和时间的性质只不过是错误的牛顿式臆想而已。
        量子世界中的实在性
        罗德?开尔文提出的第二种反常为我们带来了量子革命,它是现代人类在对宇宙的认知上不得不承受的一场剧变。当这场剧变烟消云散、经典物理学的饰面被烧焦后,浮现出了新鲜的量子实在性的理论框架。
        经典物理学的一个关键特性在于,如果你知道某一时刻所有物体的位置和速度,那么根据牛顿方程和麦克斯韦添加的新方程,你就可以推算出任意其他时刻(包括过去和未来)所有物体的位置和速度。毋庸置疑,在经典物理学体系下,过去和未来都可以与现在准确的联系起来。而狭义相对论和广义相对论也有此一说。虽然在相对论框架下,过去和现在的概念比我们所熟知的经典物理中的过去和现在(第3章和第5章)的概念要微妙一些,但只要有了相对论方程以及现在的现在这一时刻的所有物理条件,我们还是能够推导出有关过去和未来的一切。
        而到了20世纪30年代,物理学家们被迫引进一种全新的理论体系——量子力学。令人意想不到的是,人们逐渐发现只有依靠量子定律才可以解开大量谜团,并为其时刚刚从原子和亚原子层次测得的各种数据找到合理的解释。但是根据量子定律,即使你对现在的事物的状态做出*完善的测量,你*多也只能预言物体在未来或过去某个时刻的运动路径的概率。根据量子力学,宇宙并不能从现在完全推演出,我们所能得到的只是概率。
        虽然对于如何解释这些进展仍存在着争议,但大多数科学家都认同概率的概念与量子意义上的实在性是密不可分的。人类直觉及其在经典物理中的表现形式会勾画出一幅有关实在性的图像,在这幅图像中,物体总会明确的朝着这个或那个方向运动;但量子力学则不然,它所描绘的只是物体徘徊在各种运动状态之间的实在性。只有当某种观测事件强迫物体放弃量子概率时,我们才会得到确定的结果。而尽管我们不能预言这*终的结果,但我们却可以预言物体处于或这或那的运动状态的概率。
        坦白的说,这听起来的确有点不可思议。我们并不习惯这种在具体的观测之前一直保持模糊的实在性。但是量子力学的奇异性并未到此为止。1935年,爱因斯坦和两个年轻同事内森?罗森和鲍里斯?波多斯基写的一篇论文令人们又一次震惊于量子力学的奇妙,在这篇论文中,作者们试图发起一次对量子理论的攻击。3基于科学发展的螺旋式上升说法,我们可以将爱因斯坦的论文看作是**篇指出了量子力学——从表面意义上来说——隐含着某种可能性的文章。这种可能性即在此地发生的事情可以瞬时的与彼地发生的事情联系起来而不用考虑距离的问题。爱因斯坦认为这种瞬时联系荒谬可笑,并将这种来自于量子理论的数学结果视作证明量子理论仍有待发展的明证。但是到了20世纪80年代,理论和工程技术的极大发展使得用实验来检验这种假想的量子谬论成为现实,研究者们证实了相距甚远的两个不同位置间发生瞬时联系的可能性。在早期实验条件下令爱因斯坦感到荒谬可笑的事情真的发生了(第4章)。
        关于量子力学特性对实在性图像的影响是一个正在进行中的研究课题。许多科学家,包括我自己,将它们看作是关于空间意义与性质的激进的量子升级中的一部分。正常看来,空间间隔意味着物理上的独立性。如果你想要控制足球场那边发生的事情,你不得不去那儿,或者,至少,你不得不送某人或某物(助理教练,可以传播声音的空气分子,或能引起注意的闪光,等等)穿越球场以施加你的影响。如果你什么都不做——如果你保持原地不动——你将不会对球场的那边产生任何影响,因为球场中间的大片空间将阻断任何物理联系。而量子力学,至少在某些情况下,通过展现超越空间的能力对这种观点提出了挑战;大范围的量子关联可以避开空间间隔。两个物体在空间可以相隔很远,但从量子力学的角度考虑,它们似乎就可看作一个整体。而且,由于爱因斯坦所发现的空间和时间之间的紧密联系,量子关联对时间也有影响。我们将在后面的章节中介绍一些巧妙又真正神奇的实验,这些实验*近探测到量子力学中一些令人**吃惊的时空关联,正如我们所看到的,它们**有力地挑战了经典的、我们大多数人所持的直觉性观点。
        除了上述的那些令人印象深刻的观念,还有一个有关时间的基本特性——它的方向是从过去指向未来的——相对论和量子力学都没法给出解释。关于这一问题。**令人信服的进展来自于物理学领域名为宇宙学的研究。

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