当前位置:

《柔软的宇宙》:在科学中寻找人类社会未来答案

来源:红网综合 作者: 编辑:王嫣 2017-07-20 10:58:10
时刻新闻
—分享—

  编者按:人类从地心说的世界观,到了解自身不过是宇宙中的一粒微尘,这其间经历了怎样的坎坷历程?大爆炸宇宙学、黑洞、虫洞、引力波这些匪夷所思的物理学知识,是如何一步步发展并被验证的?翻开《柔软的宇宙》,看人类智慧大脑如何解开宇宙终极奥秘。

封面

  基本信息

  书名:柔软的宇宙

  作者:吴京平 著

  出版社:北京时代华文书局

  出版时间:2017年5月

  定价:49.80元

  作者简介

  吴京平,北京人,喜马拉雅FM、蜻蜓、网易云音乐等电台《科学史评话》主播。自诩为“会写程序的美工”,曾担任IT公司的美术总监。擅长用评书风格讲科普,受众无数,其主播专辑《行星传奇》《地球的刻度》《物种起源》《量子力学外传》《伟大的试验》《宇宙大爆炸》等广受好评。

  内容简介

  这是一段跨越两百年的科学探索史,从拿破仑时代一直到二十一世纪,讲述了相对论的诞生以及在相对论的思想下发展起来的一系列学科。

  人类从天圆地方的世界中心观,到认识到我们不过是宇宙中的一粒微尘,这中间,经历了怎样的坎坷历程?大爆炸宇宙学、黑洞、虫洞、引力波这些匪夷所思的物理学知识,是如何一步步发展并被验证的?牛顿、爱因斯坦、朗之万、霍金,这些天才的大脑,是如何一步步发现驾驭宇宙的基本力量,苦苦寻找人类社会未来答案的?在这本书中,所有你意料之中和意料之外的认知,都会以一个全新的方式呈现。看完这本书,你会发现,人类的科学认知探索历程,是一个让人“三观尽毁”、脑洞大开的历程。你的世界,将因这本书而颠覆。

  在吴京平老师风趣幽默的叙述中,在一步一步了解“柔软的宇宙”和“弯曲时空”的奇妙过程中,我们有幸与大师相伴而行。对这段历程,作者有自己偏爱的观察角度。第一个角度是——科学家并非生活在真空中,伟大的发现不是科学家们开脑洞开出来的,每个科学发现都要放到历史大背景中去审视。比如热力学的发展与蒸汽机大规模应用关系密切,电磁学与第二次工业革命以及电气时代的到来密不可分。

  第二个角度,那就是——科学家也是人,他们也有七情六欲,也有喜怒哀乐,也有错综复杂的人际关系。他们与我们一样,是活生生的普通人。当世界大战来临之时,他们是各为其主呢?还是捍卫人类的良知与底线呢?科学家们展现出了与丰富的人性侧面。

  人类的历程就像无尽的远征,研读一段历史就好比偶尔回过头去,看看身后那一串长长的脚印。已经走了这么远了!原来走了好多弯路啊!我们不由得生出感慨。是啊,我们走了这么远了,但前头的路还长着呢……


[NextPage]

  书摘

  大耳朵的发现

  黑洞够不够黑,这的确是个问题!令大家大跌眼镜的是,这个黑洞居然会辐射粒子。让我们回到上世纪六十年代来回望一下那段脑洞大开的研究史吧!

  因为微波背景辐射被找到了,这是很明显的证据。伽莫夫他们提出的大爆炸学说现在已经在风头上压过了稳恒态宇宙模型,但是霍伊尔还是不相信这个理论的,一度曾经有所动摇,但他后来又反水了,提出了新的稳恒态模型。不过大家对他的理论已经普遍兴趣不大了,当年那个崇拜他的超级粉丝霍金(图14-9)也已经长大成人。他打算报考霍伊尔的研究生,但是很遗憾,霍伊尔的学生太多,就把霍金调剂给了另外一位老师丹尼斯·夏玛。霍金这孩子很聪明,十七岁考进了牛津大学,还当上了赛艇队的舵手,是个风华正茂,才智出众的年轻人。可是,在牛津的最后一年里,他开始变得笨拙,时常摔跤,人们注意到,这个学生身体出现了问题。

  在考入剑桥大学之后,他的身体越来越差,讲话开始含混不清。父母带他去做了检查,他得了“肌萎缩性脊髓侧索硬化症”,俗称“渐冻人”,医生预言他活不过两年。但是,他还是挺过来了,尽管他的生活空间越来越小,身体能活动的部分越来越少,后期他全身几乎都不能动弹,但是这不妨碍他的大脑已经在思考那最深邃最遥远的宇宙尽头。这就是他的使命,不是吗?

  还好,他没有成为霍伊尔的研究生,霍伊尔常年在外,在校园之内停留的时间都不多。很难说会有多大精力去带学生,毕竟人家事务繁忙。夏玛老师则不同,他能实实在在地在学校里面好好培养呵护自己的学生,特别是霍金这样身有残障的年轻人。老师虽然自己还是偏向稳恒态宇宙,但是他鼓励霍金有自己的想法。夏玛是狄拉克的学生,说起来,狄拉克是霍金的师爷,也正拥有着名声最大的教职—剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。当初牛顿也担任过这个教职,还是国王亲批的。若干年后,霍金也将担任这个教职,一干就是几十年……

  在剑桥上学期间,夏玛老师时常带着学生们外出听讲座,结识各个领域的专家学者,霍金撑着不便的身体也跟着一起去。有一次碰到儿时的偶像霍伊尔讲学,霍金发现一个错误,不依不饶地大喊:“那个量是发散的!”,闹得霍伊尔下不来台。偶像又怎样呢?吾爱吾师,吾更爱真理!

  夏玛老师的一大功劳便是把彭罗斯(图14-10)拉来入伙,从数学领域跳过来研究相对论和宇宙学。早在二十世纪五十年代,夏玛老师在餐馆里碰上了彭罗斯,彭罗斯就显示出了非凡的天分。后来彭罗斯和霍金也成了很好的朋友,在夏玛老师的带领下研究广义相对论。彭罗斯比霍金大了十一岁,大约就是李白与杜甫的年龄差距。彭罗斯本行是数学家,在拓扑学领域有很深的功底,他把拓扑学引入了广义相对论的研究。美国的物理学家对拓扑学并不重视,苏联人也不重视。郎道是苏联物理学界的学霸,他的入学考试号称叫“郎道势垒”,难度简直变态,能考进去的都是人尖。但是郎道不考拓扑学,因此另辟蹊径的任务就落到了英国人身上。法国人干什么去了?天知道!

  这个拓扑学又是个什么学科呢?大家都玩过七巧板或者是拼图吗?理论上讲,这也算是拓扑学。拓扑学关注位置关系,不关心大小。曾经有个笑话,有个老板想造一个动物园,这就需要去抓很多动物,然后把动物关在笼子里。这需要一大笔钱,老板就问各位专家,有没有省点钱的办法。大家面面相觑,最后有个拓扑学家发言了,他说不用去抓野生动物,动物已经被抓住了。你想啊,一般的动物园都是动物们关在笼子里,人在外边看,现在我们把空间关系翻转过来:把人放在笼子里,动物放在外边,这不是一样的效果嘛!老板大受启发,于是世界上第一个野生动物园诞生了。果然是把人关在笼子里,动物在外边自由自在地溜达。

  故事当然是当个段子来听,但拓扑学的思维告诉你空间的位置关系是个很深奥的东西,特别是高维空间内的拓扑结构。数学上著名的“梅比乌斯带”和“克莱因瓶”,倒是给人比较直观的感受。

  梅比乌斯带(图14-11)是个弯曲的二维面,在三维空间里面反扭了一下。这是一个没有正反面的二维空间,纯粹只有一个面。你拿一支笔来涂颜色的话,可以不抬笔全部涂满。我们假想有一种二维的小人,生活在这种二维空间之内。他就会发现,当他转一圈返回出发点的时候,居然成了原来的镜像,完全颠倒过来了,不过不要紧,他再跑一圈就正过来了。感受到拓扑学的魅力了吧!

  克莱因瓶(图14-12)是另外一种情况:这是一个有限无边的面,但是它也只有一个面。因为克莱因瓶是三维的,要想实现只有一个面,必须有第四个维度来帮忙,就如同梅比乌斯带一样。二维空间,要想实现只有一个面,就必须在第三个维度里面反扭一下。我们平时生活在三维空间里,感受不到第四个维度。因此你只能想象一下,克莱因瓶下面那个交叉的地方其实并不交叉,因为,瓶子尾巴是通过另外的维度接上瓶口的,这需要强大的脑补能力,暂时就别瞎想了,拓扑学匪夷所思的地方还多着呢。

  爱因斯坦的广义相对论在战后已经成为了物理学家们必须要了解的一门学问,不像战前,了解的人并不多。但是对于奇点,大家意见并不统一,一个质量最够大的恒星真的能够一步步塌缩成为一个点吗?这个点究竟是怎么样的一种存在?那个早在第一次世界大战的战壕里被计算出来的史瓦西解就可以描述一个最简单的一种黑洞,这个黑洞是个静态球对称,而且不旋转不带电的黑洞。不久以后,带电的RN黑洞也被计算出来了。相对来讲,带电的RN黑洞只比史瓦西黑洞复杂了一点儿。到了60年代初,随着对大爆炸以及恒星塌缩过程的研究。奇点问题已经绕不过去了。究竟在塌缩的恒星之中,能不能生成奇点呢?大家众说纷纭。

  苏联科学界相对来讲比较封闭。他们与西方的学术交流还是有的,但是显然没那么通畅,甚至名称术语都不统一:西方叫“塌缩星”,苏联人叫“冷冻星”。倒是美国的惠勒(图14-13)在一次报告上用了“黑洞”这个词汇。大家都觉得这个词不错,很传神地描述了这一类天体的特征,于是黑洞就成了标准的称呼。惠勒的人生跨度很长,三十年代他与玻尔一起工作过,后来在普林斯顿又与爱因斯坦成为同事。麦卡锡横行之时,泰勒要去非美委员会作证,对奥本海默不利,惠勒连夜苦劝无效,氢弹之父告发了原子弹之父,这是科学史上的悲剧。

  惠勒后来一直活到了北京奥运会前夕,是哥本哈根时代仅存的大师。他一辈子培养出不少的好学生,比如研究虫洞和引力波的基普·索恩,提出黑洞熵的贝肯斯坦都是他的学生,我们在后文都会提到他们。

  彭罗斯进入相对论领域,首先就证明了奇点的问题。彭罗斯用数学证明,奇点必定会出现,特别是黑洞里。这一套数学证明的过程用到了拓扑学,后来霍金把这个结论推广到了宇宙起始的那一刻,宇宙的开端必定有奇点。夏玛老师和彭罗斯以及霍金他们一伙人把剑桥变成了欧洲黑洞研究的老巢。

  苏联人对外交流不算多,偶尔也来一趟,哈拉尼科夫做了个报告,栗弗席兹在家坐镇没来。他们认为黑洞里面的奇点并不稳定,在扰动之下可能有问题。当场有人提出了彭罗斯的理论,苏联人大惊失色,他们没听说过有这种理论。更加令人可怕的是他们对拓扑学不熟悉,彭罗斯的玩意看不懂。照理说,苏联人担心也并不是没道理,天体并不是完美的对称形状,同时下落汇聚的时候,能不能准确地同时汇聚到一个点上呢?万一对歪了没打中呢?万一时间对不上,彼此错过了呢?这是很正常的想法。

  苏联的泽尔多维奇(图14-14)他们一帮子人当年是搞核弹的,原子弹爆炸也遇到类似问题。核装药是分解成好多块摆在个球面上,周围全是炸药。炸药要极其精确地同时起爆,各个核装药块在爆炸的推挤下,要在千分之一毫秒的时间里齐刷刷地撞到一起,同时中子源点火,时间上不能彼此错过,空间上不能对歪一丝一毫,核弹才能顺利起爆,做不到就只能放个哑炮。原子弹原理讲起来并不复杂,真要做到那可是千难万难。苏联人把核弹计算上用的思路移植到了黑洞塌缩上。当然啦,原子弹去引燃氢弹的过程也是类似的,黑洞计算上也可以借鉴,泽尔多维奇就是苏联研制氢弹的功臣之一,这种办法很可靠,而且大家也都信得过。好多物理学家怀疑彭罗斯他们,惠勒倒是偏向彭罗斯。要是奇点还要考虑量子效应,那又是一个头两个大。

  彭罗斯他们没工夫管这些事情,和霍金几个人开始发展这套分析方法,很快,就成了一个非常厉害的体系。他们提出了新的奇点定理,一帮物理学家不得不恶补拓扑学的知识。这种情形在历史上也不是第一次出现了,当年他们也是恶补微分几何、恶补矩阵,现在开始恶补拓扑学。数学家动动嘴,物理学家跑断腿啊!

  后来,索恩和霍金几个人去了苏联,见了见苏联的朋友们。栗弗席兹(图片14-15)倒是痛痛快快地承认了错误。反正栗弗席兹很坦诚,他们用传统方法也算出了一个可以稳定存在的奇点,大家殊途同归。传统方式能算出更加丰富的信息,拓扑学只能告诉你有奇点,却不能告诉你别的。

  奇点的问题告一段落,视界面还有问题。天体并不是完全对称的,万一是个歪瓜裂枣的形状,塌缩过程里能不能形成个完美的球形的视界面呢?苏联的泽尔多维奇小组得出来的结果是—“天空飘来五个字,这都不是事”,略微有些起伏没关系。在塌缩的过程里,这些不完美的地方会变成引力波辐射出去,最后变成完美的对称形状。苏联人一宣读结论,西方人就感到震惊,看来铁幕那一边的人还是很有实力的。泽尔多维奇是研究核弹出身,后来才转行来折腾黑洞的。计算黑洞的塌缩过程,把氢弹计算上要用到的那些压力、激波、高温、核反应、辐射全都用上了。

  夏玛老师经常派学生去参加各种各样的学术会议,有时候是霍金去,有时候是别人。这一次去的是埃利斯,回来以后两眼放光,讲座上爱尔兰的伊斯雷尔提到他算出来的结果:哪怕天体是方的,塌缩成黑洞也会得到一个完美球对称的形状。

  电荷与角动量不会变成引力波辐射出去,因此不会被抹平,这两个信息是丢不掉的。黑洞就只剩下三个信息:旋转、电荷、质量。任何一个黑洞,有这三个信息你就能描述了,这是一个非常毁三观的结论。普通人一定会问:吸进去的物质都哪里去了?其实这不奇怪,我们平时生活里见到的物体总可以获得许多的信息,一块蛋糕你可以掂量掂量有多重,也可以咬一口看看软硬,还可以尝尝是甜的还是咸的。总之,一块蛋糕包含了非常丰富的信息。我们都是通过这些信息来理解特定事物的,信息越是丰富,我们就越是觉得这个东西实在,相反就不太能接受信息越来越少的情况。气体的信息就少多了,没有形状,也不一定有味道,很可能没有颜色,了解空气只能通过流动时产生的风和气压。面对黑洞,我们很不安,物质掉进黑洞里,我们熟悉的那些信息统统感受不到了。对此,我们的脑子很难接受。大家总是脑补,物质一定囤积在黑洞的内部。人总是违拗不过直觉,可物理偏偏又是反直觉的,大跌眼镜已经是家常便饭了。

  搞广义相对论的科学家们对此并不在意,奇葩的东西见怪不怪。惠勒充分体现了他为老不尊的一面,他把黑洞信息理论称为“黑洞无毛定理”(这个词在西方含有XXX的意味),物理学家们广泛接受了这个称呼,伊斯雷尔在自己论文里面毫不犹豫地就写上了“黑洞无毛定理”。倒是杂志的编辑们受不了了,你们这帮子物理学家为什么都这么“污”!《物理评论》的老编辑们拒绝刊登这种含有污言秽语的文章,但最后还是胳膊拧不过大腿,大批的物理学家们用得不亦乐乎,编辑们也不得不接受了这个词。这个词翻成中文倒是看不出什么,有人还称为“三毛定理”,倒也是蛮贴切的。

  惠勒一向很顽皮,他七十岁生日的时候,正好参加学术会议。他发现没人记得今日是他的七十大寿,一份礼物都没收到。于是就在别人的椅子腿后面绑了鞭炮,一声轰响,现场乱作一团……

阅读下一篇

返回红网首页返回阅读频道首页