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问题5:解释暗物质和暗能量。或者,假如它们不存在,那么该如何在大尺度上修正引力理论,为什么修正?更一般地说,为什么宇宙学标准模型的常数(包括暗能量)具有那样的数值?
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以上的五个问题代表了我们当前认识的边界。它们令理论物理学家寝食难安,驱动着理论物理系的大部分前沿研究。
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任何充当自然的基本理论的理论都必须回答这些问题的每一个。本书的目的之一只是估量最近的物理学理论(如弦理论)朝着那个方向走了多远。不过在那之前,我们还是先看看早期的物理学统一做了些什么。从那些成功(当然也有失败)中,我们能学会很多东西。
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物理学的困惑 第二章 美的神话
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物理学的夙愿和拙劣的爱情小说一样,是为了统一。在可能的时候,把过去认为不同的两样事物结合起来,作为一个实体的不同方面——这是科学最大的惊奇和快乐。
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对假想的统一,人们最正常的反应就是惊讶。太阳不过是一颗恒星——恒星都是太阳,只是离我们太远而已!想象一下,16世纪末的铁匠或演员听到布鲁诺(Giordano Bruno)的这种奇谈怪论会有什么反应。还有比把太阳和恒星混为一谈更荒唐的事情吗?人们早就听说,太阳是上帝为了温暖地球而创造的一团伟大的烈火,而恒星不过是天球上的小孔,好让天国的光线透过。统一立刻就颠覆了我们的世界。我们曾经相信的成了不可能的。假如恒星是太阳,宇宙就会比我们想象的大得多!天国不可能就在我们的头顶!
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更重要的是,新的统一构想还会带来从前无法想象的假说。假如恒星是别的太阳,必然有行星环绕着它们,那儿一定生活着其他的人类!这些话的含义往往会超出科学。假如存在生活着其他人类的行星,耶稣也许会去所有的星球,那么他降临人间就不是独一无二的事件;否则那些星球的人就不可能得到拯救!难怪天主教会要烧死布鲁诺。
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大统一成了整个新科学赖以建立的思想基础。有时,结果会极大威胁我们的世界观,人们惊奇过后会立刻表示不信。在达尔文之前,每个物种都是永恒不变的,都是由上帝一个个创造出来的。但通过自然选择的进化,所有物种都有共同的祖先。它们统一在一个大家庭里。达尔文之前和之后的生物学简直不像是同一门学科。
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如此强力的新观点很快引出新的发现。如果所有生命有共同的祖先,它们一定是以相似的方式创造的。的确,我们真是相同材料做的,因为所有生命都由细胞组成。植物、动物、真菌和细菌看似各不相同,其实只不过是不同方式排列的细胞群。构造这些细胞、为它们提供能量的化学过程,在整个生命王国都是相同的。
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如果统一的思想对从前的思维方式是一种巨大的震撼,为什么还有人相信呢?从多方面看,这正是我们要讲的问题,因为我们的故事讲的就是几个统一的思想,其中有的赢得了科学家们的强烈信心。但它们没有一个在科学家中达成共识。于是,我们常发生激烈的争论,有时甚至是斗气,这就是剧烈改变世界观的结果。那么,当人们提出某个统一思想时,我们又凭什么说它是对还是错呢?
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可以想象,并非所有的统一思想都是正确的。有个时期,化学家提出热是一种物质,和任何普通物质一样。那种东西被称作热素。这个概念统一了热与物质,然而它是错的。热与物质的真正统一在于热是原子的随机运动的能量。尽管古代印度和希腊的哲学家已经提出过原子论,但直到19世纪后期,热作为原子随机运动的理论才真正发展起来。
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在物理学历史上,出现过许多统一理论,后来证明都错了。一个著名的思想是,光与声音在本质上是一样的:它们都被认为是物质的振动。因为声音是空气中的振动,所以光也被设想为某种叫做以太的新物质形式的振动。正如我们的周围充满着空气,宇宙也充满着以太。爱因斯坦以他自己的统一方式推翻了这种奇异的思想。
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理论家们过去30年研究的重要思想,如弦理论、超对称、高维时空、圈引力等等,都是关于统一的建议。我们凭什么说哪个对哪个错呢?
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我已经讲过成功的统一理论具有的两个特征。第一是惊奇,不能低估了这一点。如果没有惊奇,那思想要么无聊乏味,要么就是我们以前知道的。第二是戏剧性的结果:统一应该立刻引出新的发现和假说,从而成为进一步认识的动力。
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不过还有更重要的第三个特征。一个好的统一理论应该提出前所未有的预言。它甚至可能提出只有在新理论的观点下才有意义的新型实验。最重要的还是,预言必须经过实验证明。
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如果要判断眼下的统一研究的前景,我们就要寻求这样的三个准则——惊奇、新认识和实验证明的新预言。
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物理学家深感统一的急迫,甚至有人说,向统一迈出的任何一步,都是向真理靠近的一步。但生活并不那么简单。任何时候都会有不止一条道路能统一我们所知道的事物——它们沿着不同的方向指引着我们的科学。16世纪,我们有两个截然不同的统一思路。一个是古老的亚里士多德和托勒密的理论,根据这个理论,行星与太阳和月亮统一为天球的不同部分。而另一个是哥白尼提出的新观点,将行星与地球统一到太阳的周围。两种思想都对科学产生了重大影响,但最多只能有一个是正确的。
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从这儿我们可以看到选择错误统一的代价。假如地球在宇宙中心,那将极大影响我们对运动的认识。在天空中,行星改变方向是因为它们在确定的圆形轨道上不停地旋转。地球上的事物不会发生这样的事情:我们推动或扔出的东西,最终都会静止下来。地球上的物体不在天体的圆周轨道上运行,当然处于那样的状态。因此,在托勒密和亚里士多德的宇宙中,静止与运动有着分明的界线。
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在他们的世界里,天与地也有着极大的分别——地球上的事物与天空的事物遵从不同的法则。托勒密提出天空的特定天体,如太阳、月亮和五个已知的行星,在圆形轨道上运动,而那些轨道本身也沿着圆周运动。这些所谓的本轮能预言日食、月食和行星的运动——预言的精度达到千分之一,证明了太阳、月亮和行星的统一是多么富有成效。亚里士多德为地球在宇宙中心提出了一个自然的解释:它由地球的材料组成,而那些材料的自然状态不是圆周运动,而是寻找中心。
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在这种观点的教育下成长起来的人,熟悉它对我们周围的事物有多么强大的解释能力。当他们看到哥白尼将行星当做地球而不是太阳一样的物体,一定会深感不安。如果说地球是颗行星,那么它和它上面的所有东西都处于不停的运动。那怎么可能呢?这违背了亚里士多德的定律:任何不在天体圆形轨道的事物都必然趋于静止。它也违背了我们的经验:假如地球在运动,我们怎么没有感觉呢?
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这个困惑的答案在于科学中的一个最伟大统一:运动与静止的统一。这是伽利略提出的,后来成为牛顿的第一运动定律,也叫惯性原理:处于静止或匀速运动的物体,在不受外力干扰时,将保持静止或匀速运动的状态。
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牛顿所谓匀速运动的意思是,在某个方向以一定速度的运动。静止不过是匀速运动的一个特例——它恰好以零速度运动。
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运动与静止怎么可能没有区别呢?关键的一点是认识到,物体是否运动,没有绝对的意义。只有相对于某个观察者才能确定运动,而观察者可以动,也可以不动。如果你以不变的速度从我面前经过,那么,在我看来静止在桌上的一杯咖啡,对你来说就是运动的。
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