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    張朝陽對話物理學(xué)家Cumrun Vafa:談時空觀、量子理論與弦理論

    7月19日消息,近日,搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼首席執(zhí)行官張朝陽和美國哈佛大學(xué)教授、物理系系主任,美國國家科學(xué)院院士,狄拉克獎與基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎獲得者Cumrun Vafa(庫姆倫·瓦法)展開了一場長達(dá)2小時的高精尖物理知識對談。

    兩位麻省理工學(xué)院物理系校友從量子力學(xué)的歷史與困境,聊到當(dāng)今物理學(xué)最前沿的超弦理論和神秘的高維時空,還探討了物理與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)如何跨領(lǐng)域交融等話題。

    瓦法教授是當(dāng)代理論物理學(xué)界最享有盛譽(yù)的學(xué)者之一,其在弦理論方面的開創(chuàng)性工作聞名世界。他與合作者共同推動了“對偶理論”的發(fā)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(lǐng)”的創(chuàng)始人,瓦法教授在對談中與張朝陽分享了關(guān)于量子引力的最新研究,帶領(lǐng)觀眾一起直面前沿科學(xué)思想與科學(xué)成果。

    談時空變革:相對論讓物理學(xué)邁出了一大步

    對談一開始,瓦法教授提到,“伽利略是一個天才,他通過直覺與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合,提出了慣性定律,被認(rèn)為是物理學(xué)的開端。”自此之后,牛頓力學(xué)的三大定律和麥克斯韋電磁效應(yīng)方程組都是通過經(jīng)驗(yàn)、觀測和總結(jié)來理解自然與時空的。

    轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這些方程之間并不自洽時。為了解決問題,他添加了現(xiàn)在稱之為“麥克斯韋項(xiàng)”的一項(xiàng)。張朝陽表示,正是這一項(xiàng)帶來了從絕對時空觀到相對時空觀的轉(zhuǎn)變,麥克斯韋在這一項(xiàng)中引入了一個常數(shù),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。

    由于經(jīng)典波動力學(xué)需要通過介質(zhì)傳播,麥克斯韋及其后數(shù)代物理學(xué)家深陷于以太的迷霧中。到19世紀(jì)末,洛倫茲發(fā)現(xiàn)伽利略的物理原理并不適用于電磁理論,并提出了恰當(dāng)?shù)男拚kS后,愛因斯坦意識到光速對所有勻速運(yùn)動的人來說都是一樣的,時間和空間是可以相互轉(zhuǎn)換的,于是我們進(jìn)入了狹義相對論的時代。

    “為什么我們非得是勻速運(yùn)動呢?”“當(dāng)然還得有加速度?!蓖叻ń淌诤蛷埑柋硎?,愛因斯坦往前多邁了一步,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質(zhì)量等于決定物體受引力強(qiáng)弱的引力質(zhì)量),張朝陽補(bǔ)充道,“這兩個方向殊途同歸,讓愛因斯坦洞察到了引力的本質(zhì)——時空的彎曲?!?/p>

    瓦法教授認(rèn)為,廣義相對論不僅革新了時空觀,還革新了物理學(xué)的方法論。自廣義相對論問世以來,物理學(xué)家們意識到物理理論可以是幾何理論。以前,物理學(xué)主要是受力分析和解方程,誰能想到數(shù)學(xué)課本上的全等、相似、旋轉(zhuǎn)等幾何概念也是物理學(xué)的重要基礎(chǔ)呢?“這是愛因斯坦對物理學(xué)最大的貢獻(xiàn),使物理學(xué)邁出了一大步。”瓦法教授總結(jié)道。

    談量子特性:當(dāng)下是所有可能的總和

    20世紀(jì)最震撼人心的物理學(xué)理論莫過于量子力學(xué)。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(xué)則解釋了為什么我們是穩(wěn)定的,為什么今天的我和明天的我是同一個人。張朝陽說,沒有量子力學(xué),世界就是一堆灰。

    那么,量子力學(xué)究竟是什么?張朝陽解釋,當(dāng)你有一個束縛態(tài)時,你有整數(shù)級別的能量級別,這就是量子。量子力學(xué)的另一個特征是疊加原理,正如雙縫干涉實(shí)驗(yàn)所揭示的,一個微觀粒子的運(yùn)動是它所有可能走過的路徑的總和。

    量子力學(xué)解析了氫原子,也解析了化學(xué)鍵。對話中,張朝陽稱化學(xué)鍵是奧本海默的杰作,他將重的質(zhì)子和輕的電子分成兩部分來計算,對質(zhì)子來說,快速運(yùn)動的電子提供了一個黏合作用。

    這種方法被稱為有效理論。觀察設(shè)備總有最大分辨率,比如飛馳的汽車在長快門相機(jī)中只是一片模糊的陰影,肉眼能看見手掌卻看不見細(xì)胞。在限定分辨率后,只有相應(yīng)尺度的對象是重要的,小尺度部分會在疊加時被抹勻平均,僅表現(xiàn)為對大尺度部分的某種影響。張朝陽形象地稱其為“放縮效應(yīng)”,而瓦法教授更喜歡用“背景”來形容被平均的小尺度部分,這是物理學(xué)的基本原理之一。

    談超弦理論:當(dāng)量子遇上引力時空有了更多可能

    遇事不決,量子力學(xué)。面對引力和時空,量子力學(xué)真的無計可施了嗎?瓦法教授認(rèn)為,弦理論是一種可靠的量子引力理論。

    弦理論第一次廣為人知,是因?yàn)槊绖 渡畲蟊ā分兄魅斯x耳朵(Sheldon)對其無休止的夸贊,現(xiàn)實(shí)中的瓦法教授便是當(dāng)代首屈一指的弦理論物理學(xué)家。他介紹,弦理論的核心觀點(diǎn)是點(diǎn)粒子不僅僅是點(diǎn)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(yīng)了電子、光子、引力子等不同的微觀粒子。

    正如瓦法教授等弦理論學(xué)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。額外的維度通過幾何方法表達(dá)其他相互作用。例如,可以通過引入一個額外的圓(第五維)來統(tǒng)一電力和磁力與引力,此時電荷變成了動量,這便是卡魯扎-克萊因理論。

    在具有超對稱性的弦論中,世界被確認(rèn)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(shù)學(xué)或者幾何帶給我們的確定性結(jié)論,也是弦理論的優(yōu)雅所在。

    談物理學(xué)習(xí):數(shù)學(xué)是一種通用的語言

    在學(xué)生提問環(huán)節(jié),被問到好奇心和想象力在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的重要性,瓦法教授表示,科學(xué)的核心在于追求好奇心。他回憶起自己七八歲時,抬頭看天空時會思考“為什么月亮沒有掉到地上”,這種對答案的渴望驅(qū)使他開始探索物理學(xué)。他認(rèn)為,想象力比知識更重要,因?yàn)橹R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(bǔ)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(chuàng)造力也會消失。他與瓦法教授分享了自己過去一年研習(xí)廣義相對論的心得,在他看來,雖然廣義相對論的數(shù)學(xué)相當(dāng)繁雜,但經(jīng)過在黑板上反復(fù)計算,你會得到相當(dāng)準(zhǔn)確可靠的光線偏轉(zhuǎn)角度和語言。瓦法教授對此表示認(rèn)同,數(shù)學(xué)會引導(dǎo)你并告訴你什么是物理的結(jié)果,而且數(shù)學(xué)在某種程度上比我們更聰明。

    張朝陽進(jìn)一步提到,薛定諤方程是一個非常好的例子,復(fù)數(shù)本來只是一個數(shù)學(xué)結(jié)果,但薛定諤接受并運(yùn)用了它,得到了量子力學(xué)的基本方程。瓦法教授則以狄拉克方程對正電子的預(yù)言和對自旋的解釋為例,認(rèn)為數(shù)學(xué)的一致性推動了物理學(xué),簡單的數(shù)學(xué)可能是極其深刻的物理學(xué),很多物理學(xué)概念是從數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(jié)束后,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(shù)學(xué)是一種通用語言,相信您也能看懂其中表達(dá)?!?/p>

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    2024-07-19
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