“我不是谢尔顿”,哥伦比亚大学的理论物理学家布莱恩•格林(Brian Greene)

2013-8-19 10:17| 发布者: chenl| 查看: 9923| 评论: 0

摘要: 【布莱恩·格林在纪录片《宇宙的构造》中演示时空何以扭曲。 (南方周末资料图)】暮春的正午,在纽约第120大街和百老汇大街的交叉处,一个行色匆匆的中年男人快步走向路口。他头发松软,两鬓略白,身着蓝色衬衫和...

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【布莱恩·格林在纪录片《宇宙的构造》中演示时空何以扭曲。 (南方周末资料图)】

暮春的正午,在纽约第120大街和百老汇大街的交叉处,一个行色匆匆的中年男人快步走向路口。他头发松软,两鬓略白,身着蓝色衬衫和正装西裤,背着一款精致的黑色双肩包。路上一位行人认出了他,但还未开口打招呼,他却如短跑运动员一般突然加速,抢在红灯亮起前冲过路口,继续向西走去。如果不是有人亲口向你描述,你永远无法相信这位穿着考究、身手矫健的大叔就是哥伦比亚大学的理论物理学家布莱恩•格林(Brian Greene)。

谁能教这个孩子

格林1963年出生于纽约,他的研究方向是超弦理论,这种理论认为组成世界的基本粒子都是在高维空间中不断振动的弦。弦论虽然听起来玄妙,但并不是玄学,若想“转轴拨弦三两声,未成曲调先有情”,演奏者需要具备高超的数学洞察力。在这个方面,格林自幼就表现出异于常人的天赋。五六岁时,他就懂得在父亲的工程稿纸上计算30位数的乘法。12岁时,他的胃口已经超出了数学课的范畴。他的数学老师为他写了一张纸条:“我们已经尽力了,请问谁能负责教教这个男孩。”带着纸条,他同姐姐一起在哥伦比亚大学寻找志愿教他数学的人。从那时起,格林每周都会同一位数学系博士生一起学习,直到高中毕业。

掌握了数学这门描述自然规律的基本语言之后,格林开始痴迷于物理学的诗意。17岁时,格林考入哈佛大学物理系,并买了一本关于广义相对论的课本作为随身之物。“虽然当时我读不懂,但我就是想把它带在身边。我就是如此强烈地渴望学习爱因斯坦的理论。”广义相对论蕴含一种平等的理念,它将不同运动状态的观察者置于同等的地位。实际上,格林曾在童年的游戏中受到类似理念的熏陶。布莱恩的父亲艾伦•格林是一位作曲家,虽没有学过相对论,但他也喜欢教儿子从不同的角度观察世界。例如,一枚硬币从口袋里掉出来时,布莱恩会在父亲的建议下,设想自己是硬币上随之旋转下落的一只蚂蚁。

自物理学诞生以来,理论研究者都试图将千姿百态的物质还原成少数基本的成分,并在看似无关的现象中寻找共同的规律。广义相对论用宏观的语言描写了物质和时空之间的亲密纠葛,量子理论用微观的笔触勾勒出基本粒子家族的枝繁叶茂。然而,这两套成功理论却在原则和细节上势如水火,难以相容。自爱因斯坦起,一代又一代人都希望通过自己的努力修补两者的关系,取得一个包罗万象的统一理论。1984年,本科毕业的格林在罗德奖学金[1]的资助下前往牛津大学,加入了梦想追逐者的行列。

恰在此时,弦论克服了数学自洽性的困难,从少数精英追捧的小众偶像迅速成为声名鹊起的大众情人。有一天,格林听了一场学术报告,弦论的创始人之一迈克尔•格林[2]向大家介绍了这个新兴的“万物至理”。回来之后,格林和朋友们便四下搜集一切有关弦论的知识和信息。

蜷缩的高维空间

弦论的迷人之处在于,不必刻意为之,它就能自然地生成一种传递引力相互作用的微观粒子(引力子),这是人们梦寐以求的特征。但是弦论又预言,这些振动的弦必然生活在10维时空之中。为了解释我们为什么只看到3维的空间和1维时间,弦理论家认为其余的6个维度发生了蜷缩,因而暂时超出了我们的探测能力。基于数学家卡拉比[3]和丘成桐[4]的工作,人们将这些高维空间的蜷曲形态叫作卡­­­­―丘空间(Calabi-Yau Space)或卡―丘形态。正如法国号的蜿蜒铜管决定了空气振动的音色,卡―丘空间也决定着弦的振动可以表现为何等模样的微观粒子。弦论能否成为一个合格的统一理论,其中一个关键在于除了未知的引力子之外,能否生成其他已知的基本粒子。

Calabi-Yau Cross-Section

【卡-丘空间的某种形态,更多图片可见本图的出处

French_horn_back

【法国号 图片出处:commons.wikimedia.org

格林和另外两个学生挑选了一种卡―丘形态,计算出了一整套粒子和规则。方法奏效了,他们的结果几乎完全与当时物理学家的需求一致。可惜,除此之外还有一些多余的粒子,这使他们的努力化为泡影。“虽然细节上失败了,”格林的导师格拉汉姆•罗斯(Graham Ross)说,“但在当时,这是第一个向成功迈进的尝试。”这个尝试本身就是一项创举。格林等人将计算结果写成两篇学术论文,先后发表在《核物理学B辑》(Nuclear Physics B)上。迄今为止,这两篇诉说“失败经历”的论文一共被引用500余次,对于绝大多数鼓吹“成功经验”的理论物理论文来说,这一数据可望而不可即。时至今日,虽然人们对弦论有了更深刻的理解,但仍然没人能构建出与实验结果完全一致的基本粒子。

第一科学夫妇

凭借出色的研究工作,格林仅用两年时间就取得了博士学位。拥有如此不同寻常的天赋和履历,我们很容易将格林与美剧《生活大爆炸》(The Big Bang Theory)[5]中的物理学家谢尔顿[6]联系在一起。谢尔顿患有严重的社交障碍,在世俗生活中完全是个呆子,他符合普通人对科学天才这一刻板形象的一切幻想(或者说是偏见)。实际上,除了在《生活大爆炸》中与谢尔顿有短暂的对手戏之外,格林的性格和这个怪人毫无相似之处。

格林在高中时参加过摔跤比赛,上大学时参加过越野赛跑,也出演过音乐剧。“显然,格林不是一般人。”格拉汉姆•罗斯回忆说,“他非常非常聪明,善于与人沟通。他向来是一个富有魅力的人物。”在牛津的时候,格林花了许多时间学习表演,他觉得这样可以打破局限,改变思维。“表演课通常要上三个小时,下课后,我的感觉就好比‘哇!我刚刚到了一个平时从未去过的完全不同的宇宙’,我就是喜欢这种感觉。”于是,格林将上表演课的习惯保留了下来,这为格林后来在公众演讲和电视表演方面的出色发挥打下了基础。

年轻的格林从牛津毕业之后,又回到哈佛做博士后,他的老板正是大名鼎鼎的丘成桐。丘成桐在数学和物理以及两者的交界地带有着重要的影响。他将自己数十年来的研究成果和心路历程与人合作写成了一本《大宇之形》(The Shape of Inner Space)[7],并在书中50多次提到了格林。

20世纪80年代末,许多理论物理学家对卡―丘空间在物理学中的前途失去了信心。丘成桐惋惜地回忆道:“例如格林的牛津校友保罗•阿斯宾沃尔(现在杜克大学),发现自己很难找到可以继续研究卡―丘空间和弦论的工作,而格林在牛津的两个同学和合作者转行去了金融界。可格林却留了下来,并且和当时的物理学家一起作出了重要的发现。”“必须承认我很高兴,”丘成桐写道,“他们坚持把这项特定的研究课题做了下去,而不是转做股票期货之类的事情。”

格林和当时的一个研究生一起研究了卡―丘空间的“镜像对称性”(见本书第4章注释17,以及《宇宙的琴弦》[8]第11章)。这个概念认为,就像形状不同的铜管乐器偶尔也会发出完全一样的声音,不同形态的卡―丘空间也可能让弦产生无法区分的振动模式。格林等人的工作证实了这个利好消息。他们找到了第1组“镜像对”,并提出了一种构造“镜像对”的方法。这个方法不但为蜷曲空间的理论计算提供了便捷,还为弦论克服某些奇异性困难开辟了道路。

广义相对论之所以无法纳入量子框架中,原因之一在于其中会存在奇点这样的极端情形,而量子物理学却不知道该如何应对。例如,黑洞中心就存在一个体积无限小、密度无限大的奇点。这种情形就像用一除以零,在数学上没有意义,在物理上更不能成立。如果卡―丘空间也遭遇奇点该怎么办?格林和合作者发现了一个绝妙的办法。当一种卡―丘空间遭遇某类奇点(即本书第4章提到的翻转奇点,详见《宇宙的琴弦》第11章)从而发生撕裂时,它的“镜像对”却可以安然无恙,不受影响。由于两个空间的物理结果等价,格林等人反过来证明,第1种卡―丘空间经历的撕裂和奇点不会对弦论构成威胁。后来,他们又研究了另一种更剧烈的锥形奇点,结果同样令人鼓舞。

格林博士后出站后到康奈尔大学工作。1995年,也就是在他发表锥形奇点工作的同一年,年仅32岁的格林成为了正教授。一年之后,格林少年时曾经拿着老师的纸条拜访过的哥伦比亚大学数学系向他发出了邀请。起初,格林并不想回到300多公里外的纽约,因为“不够安静,无法坐下来思考”。但当时他的约会对象愿意搬到纽约(可能是《宇宙的琴弦》致谢中的艾伦•阿彻尔,一位知名配音演员)。后来恋情告吹,格林同美国广播公司(ABC)的电视制作人特蕾西•戴(Tracy Day)结了婚。

戴共4次获得艾美奖的新闻与纪录片奖,是一位资深媒体人。她曾赴现场报道过柏林墙倒塌、曼德拉出狱、海地难民危机、哥伦比亚贩毒集团、库尔德人出走等新闻事件。在美国国内,她报道过旧金山地震、俄克拉荷马爆炸、辛普森案的审判、哥伦比亚号航天飞机失事和多次总统选举。她还为美国公共电视网(PBS)、发现频道(Discovery)、美国有线电视新闻网(CNN)等电视媒体制作过纪录片、专题片和实况转播。我们不清楚格林与PBS将两本科学读物拍摄成7集纪录片时,戴发挥了多大作用,但如果当初他们没有相识,也许就不可能有后来世界科学节的一段佳话。

2008年的初夏,杂耍演员和哲学家、魔术师和生物学家、音乐家和物理学家走到一起,在5天的时间里为纽约市民奉献了46场表演、辩论和派对。从此,一年一度的世界科学节成了纽约市的科学文化地标。格林和戴是世界科学节的共同发起人,被《纽约时报》誉为纽约第一科学夫妇。他们就像两种互为镜像的卡―丘空间,虽然专业特长和人生轨迹不同,却能水乳交融浑然一体,共同创造一场科学传播的盛典。此外,他们还孕育过两个共同的物理结果,分别是儿子艾里克•格林(Alec Greene)和女儿索菲亚•格林(Sophia Greene)。

超弦与琴弦

中国科学院研究生院人文学院李大光教授说,美国国家科学基金会分配科研经费时,除了考察申请人的资历与声誉以外,还要特别考虑他们的研究结果是否得到了公众的支持。这从一个方面解释了为什么美国的科学传播队伍中不乏世界顶级科学家的身影。另一方面,美国自殖民地时代就有科学传播的传统。美国国父富兰克林在18世纪30年代出版过一本连续畅销25年的箴言书《穷查理年鉴》,其中就涉及了不少科学知识。进入19世纪以后,旁听科学家宣读论文、讲解新发现成为上流社会的生活风尚。可是随着科学研究的深入,从19世纪末开始,科学知识逐渐幻化为充满奇异符号和诘诎名词的“火星文”。尽管科学和技术一次又一次刷新了人类生活的面貌,但公众和前沿科学之间的鸿沟却愈发难以弥合。

弦论将这种鸿沟推向了极致。尽管弦论被认为是能够统一广义相对论和量子物理的最有力候选者,但它的概念过于抽象,数学过于晦涩,以至于绝大多数未做过相关研究的广义相对论或量子物理专家都不太明白弦论究竟说了什么。格林向这个鸿沟发起了挑战。他在一次采访中说:“由于专业细节令人望而生畏,人们会避免接触科学知识。可是,科学思想的戏剧性不亚于任何一部小说……为什么每次都要虚构呢?为什么不来点儿真正的科学呢?额外的维度、空间撕裂,这都是天然的素材。”

格林将他的数学洞察力和表达天赋融入了《宇宙的琴弦》,用流畅的语言和贴切的比喻将这些天然素材雕琢成一件件栩栩如生的艺术品。例如,关于卡―丘空间和乐器形状的比喻就是格林的手笔。这本书问世仅1个月就印刷了3次,不仅登上《纽约时报》排行榜,还在亚马逊击败了约翰•格里森姆的新小说,一度销量排名第一。《纽约时报》的书评盛赞道:“《宇宙的琴弦》不可不读……霍金为黑洞所做的事情,格林在弦上都做了。”

像中国的科学家一样,一开始格林也有点儿担心这本不那么严肃的弦论书会招致同行的批评。不过大部分弦理论家觉得自己陷入了一个不为人知的小角落,他们反而喜欢这样的推销行为。“(弦论)太庞大,”格林解释说,“你可以在你的理论上花一辈子时间,竭尽你工作的每一分每一秒,却还无法知道这个体系的所有进展。”所以,弦论的科普读物不但使大众受益,给尚未入门的本科生以启迪,那些陷入弦论汪洋大海的专业探险家也得以借此概览自己一亩三分地之外的景色。

2003年,PBS的“新星”(NOVA)系列节目将《宇宙的琴弦》变成了看得见的景色,这就是3集纪录片《优雅的宇宙》。这部纪录片曾3次提名艾美奖,最终获得皮博迪奖(这是广播电视人为效仿普利策奖而设立的国际奖项)。在屏幕上,格林的数学洞察力化作一个个鲜活的画面:说到弦,便有一个艺术家拉大提琴;说到M-理论,格林便搬来一把梯子;说到D-膜,格林便把面包切成了薄片。除了电视画面之外,格林还尝试将弦论与音乐和舞蹈结合。1999年,他和爱默生弦乐四重奏在古根汉美术馆合作进行了一场混搭表演,主题为“超弦与琴弦”——格林先向大家简要地讲解弦论,然后爱默生弦乐四重奏演奏一段表现弦论特征的乐曲。在2008年的世界科学节上,著名舞蹈家卡萝•阿米塔基根据《宇宙的琴弦》编排了一段更具文艺范儿的节目,叫作“三大理论”,用音乐、舞蹈、文字和投影向观众表现了艺术家心目中的相对论、量子物理和弦论。

格林的第2本科普读物《宇宙的结构——空间、时间以及真实性的意义》(The Fabric of the Cosmos: Space,Time,and the Texture of Reality)[9]出版于2004年。7年以后,这本书也被PBS搬上了荧幕。如副标题所述,这本书以空间、时间(以及时空)和实在性为线索,对相对论、量子论、弦论和宇宙进行了全方位多角度高分辨率的梳理。这本书应该就是《隐藏的现实》的基础和前奏——可以称为《裸露的现实》。书中令人印象最深的内容是格林对狭义相对论的叙述:“任何物体穿越空间和穿越时间的合速度总是精确地等于光速。”这可以说是在所有相对论科普读物中最为入木三分的解释,它简直就是用通俗而不失严谨的语言“朗读”出了相对论公式的发音。

关于量子物理中的海森堡不确定性原理,格林用中国餐馆特有的点菜方式进行了解读:“菜肴编排在A、B两列中,举个例子来说,如果你点了菜单A中的第1种菜,你就不能再点B中的第一种菜;如果你点了菜单A中的第2种菜,你就不能再点B中的第2种菜。”这段话被搬上了《生活大爆炸》第4季第20集,表演者正是格林博士本人。格林在《生活大爆炸》中向观众推销眼下这本《隐藏的现实》。电视剧的主人公谢尔顿照例对这位成就和魅力均在自己之上的真正的物理学家进行了公开嘲讽,不过旋即声明他在开玩笑,他自己其实就是格林的粉丝。

格林出演《生活大爆炸》S04E20,在剧中宣传自己的新书。

甜点般的弦论

丰富多彩的社会生活从某种程度上折射出这位学术追梦者的复杂心态,因为我相信没有科学家愿意在专业发展的黄金时期开辟第二职业。“弦论是21世纪的物理偶然落在了20世纪。”著名理论物理学家爱德华•威滕(Edward Witten)这句名言或许成了一句谶言。20世纪80年代和90年代的两次弦论革命过早地透支了弦的发展势头,相比之下,21世纪初的理论物理学并没有太大的进展。我们在庙堂之上重温的还是数十年前的荣耀,我们在坊间巷尾议论的英雄都已渐渐老去。于是,格林的学术兴趣转向了宇宙学,用理论方法寻找宇宙中存在超弦的迹象。现在,他担任了哥伦比亚大学弦、宇宙和天体粒子物理研究所的共同主任。

通过观察宇宙的微波背景辐射,我们知道宇宙始于一场大爆炸,经历过一次剧烈的暴胀,后来又开始加速膨胀。这三句话分别促成了三个诺贝尔奖。最近,格林又试图从这张宇宙婴儿时期的快照中,寻找弦论预言的特殊图案。没有人知道这一次格林会不会成功,不过他满怀期待地说:“在物理学中,从来没有一个理论像弦论这样走了很远之后,又被证明是错误的……如果弦论最终是正确的,对我来说,那就像蛋糕上面铺了厚实而美味的糖衣。”

注释

[1]罗德奖学金(Rhodes Scholarships)创设于1902年,是英国大学历史最长并且也是声誉最高的奖学金,获得者将在牛津大学万灵学院学习两到三年。

[2]迈克尔•格林(Michael Green,1946—),现为剑桥大学应用数学及理论物理学系教授、克莱尔霍学院院士,2009年接替霍金担任卢卡斯数学教授席位。

[3]欧亨尼奥•卡拉比(Eugenio Calabi,1923—),意大利数学家。他提出了著名的卡拉比猜想:能否找到一个紧而不带物质的超对称空间,其中的曲率非零(即具有重力)。

[4]丘成桐(Shing-Tung Yau,1949—),著名华裔数学家,师从陈省身教授,现为哈佛大学终身教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士,囊括菲尔兹奖、沃尔夫奖和克拉福德奖三个世界顶级大奖,对微分几何和数学物理的发展作出了重要贡献。

[5]又译为《天才也性感》、《天才理论传》、《宅男行不行》、《囧男大爆炸》、《特别变态科学家》,该剧在2007年9月24日由哥伦比亚广播公司(CBS)推出。

[6]谢尔顿·库珀(Sheldon Cooper)博士是《生活大爆炸》中的一个主要角色,由吉姆·帕森斯(Jim Parsons)饰演,中国观众亲切地称之为“谢耳朵”。帕森斯因为扮演这个角色在2010年获得艾美奖,2011年1月获得金球奖。

[7]翁秉仁译,湖南科技出版社,2012年出版。

[8] 原书名是The Elegant Universe,即“优雅的宇宙”。李泳译,湖南科学技术出版社,2004年出版。

[9]刘茗引译,湖南科学技术出版社,2012年出版。

关于《隐藏的现实》中文版

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