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1、读宇宙的琴弦有感其实这本书早就想看了，但由于平时没有时间。正好寒假，将它看完了，由于在看之前就知道会出现一些很难理解的观点，所以在看这本书之前，先看完了与这本书有关的视频优雅的宇宙以方便理解。先简单介绍一下关于这本书。书名已经知道了，叫宇宙的琴弦，然后它的作者是一个叫做B格林的美国理论物理学家写的，当然，他的名字是音译过来的，说到这里顺便说一下，书名肯定也是翻译过来的，原名是The Elegant Universe，至于作者想从书的名字告诉我们什么，那就得自己去猜了。这本书可以说是一本入门的科普读物，当然，是将你带入关于弦理论的最初的资料。然后顺便提一下，我之所以想读这本书，也是想稍微了解一下
2、，关于这神奇的弦理论，这the theory of everything 万物之理。现在我将就我的理解介绍一下弦理论，也就算做我对这本书的理解，也作为我读过这本书的感想吧。从最早讲起。在1687年，牛顿公布了他的万有引力定律，他宣布：让月球围绕地球旋转的力，与让苹果从树上掉下来的力是同一种力，一下子将上帝与普通人联系在一起，按照牛顿的观点，月球围绕地球以一个椭圆在运动，为方便理解，近似为圆周运动。而维持圆周运动需要一种外力来提供其曲线运动所需的向心力，于是牛顿将地球对月亮的这种作用解释为是一种力在作用，他将这种力命名为gravity，按情况翻译为重力或引力。牛顿不仅定性的描述了引力，还写出了定
3、律的方程。用语言说这方程的意思就是，两个物体间的引力正比于物体质量的乘积，反比于物体间距离的平方。用这个引力定律可以解释几乎一切，包括彗星的运动，月亮绕地球的运动，篮球在空中飞行，甚至是预言海王星的出现。公式的预言与物体真实的运动惊人的一致。直到20世纪初这些成功一直是牛顿理论不容辩驳的支柱。然而，爱因斯坦的狭义相对论却是最大的障碍。狭义相对论的一个重要特征就是光所限定的绝对速度。即没有东西能比光更快。于是问题出现了，设想一下，假如太阳突然消失，那么由于地球失去了太阳的引力作用，将立即飞离轨道，这是牛顿的观点。但是即使太阳消失，太阳的光也会因为1.5亿公里的巨大距离，要8分钟才会消失。于是问题
4、出现了，引力怎么能先于光而消失？当然在狭义相对论出现以前，牛顿的引力理论也有重大的缺陷，它能高度精确的预言物体在引力的作用下如何运动，却没有能说明引力到的是什么。就是说相互分离的物体，凭什么相互作用呢？当然，牛顿自己也无法解释。先撇开引力，有这样一个现象：假如你在封闭的电梯里，刚到100层，突然钢缆断裂，电梯和你一起下坠，你就会发现，我的确在地球附近，但是却感受不到地球的引力了。还有一个现象，你坐在汽车上，汽车突然加速，你就会感觉到加速度对你的影响，当然如果是向上加速，即使没有地球你也能感觉到，类似有力的作用，也就是说加速度产生的力的感觉，与引力产生的力的感觉是无法区分的。所以我们研究一种特殊
5、的有加速度的运动，圆周运动。假设一个圆形的转盘，你要去测量一下它的周长，于是你就趴在圆盘边缘测量，由于圆盘在旋转，你就有一个速度，你手中的尺子便因为运动而略为缩短，当你再去测量该转盘的直径，并将该周长除以直径，就会发现得到一个比2更大的数。奇怪的事情发生了，一个圆的东西，怎么可能违反古老的法则呢-对于每个圆来说，那个比值不都应该是2吗？解释是这样的：古希腊发现那个法则只对平面上的圆才会成立，如果这个圆在曲面上就不一样了。爱因斯坦证明了，在所有的加速运动的情形，空间都是弯曲的。当然最后发现弯曲的不仅仅是空间，时间也发生了弯曲，而且加速度越大，时间弯曲越剧烈。所以按照爱因斯坦的观点，引力就是空间和
6、时间的弯曲。引力也不是瞬间传递的，只是有质量的物质引发时空弯曲造成的。当然，至于空间如何弯曲，还是一件很难想像的事。最后用新理论解释一下太阳消失这灾难吧。当太阳消失时会产生空间的扰动，扰动以光速向外扩张，这便满足了狭义相对论对以光速为宇宙速度极限的的要求。所以在太阳消失8分钟以后，地球上的我们才知道太阳不见了，而同时我们也感觉到太阳引力的消失。爱因斯坦的新理论就这样解决了矛盾；引力扰动与光同步。而这新诞生的理论被称为“广义相对论”。说完了引力，在讲讲后一种发现的力。在很早古代，人们就发现带静电的物体可以吸引轻小物体，然后带相同电荷相互排斥，不同电荷互相吸引。当然同时也有一个很接近的，就是磁力。
7、磁有两极，同样是同极相斥，异极相吸。后来发现电流可以产生磁力，之后法拉第又成功将磁变成了电。于是电与磁之间就可以互相转换了。但是没有人能解释这是为什么。直到麦克斯韦成功的用四个简单的方程同时描述了电力和磁力，即完成了电力和磁力的统一。之后就将这种新的力称为“电磁力”。随着物理学的发展，渐渐地问题显现出来了。比如这样一个例子：在一个烤炉中，我们设定一定温度，在加热炉壁的时候它的内部会产生辐射波，那是与电磁波形式相同的波，既可以来自太阳的表面，也可能来自于烧红的铁棒。于是问题出来了。我们知道，电磁波带着能量，比如说地球上的一切能量都来自于电磁波从太阳上带到地球上的能量。在20世纪的开端，物理学家计
8、算了在特定温度下烤炉内所有电磁辐射所携带的能量。根据以前的计算程序，他们得到一个荒唐的结果：对于任何温度来说，炉内的能量都是无穷大！这完全是没有意义的。即使火热的烤炉可能蕴藏着巨大的能量，但肯定不是无穷大。1900年，普朗克提出了一个解决方法，消除了无限能量的烦恼。他是这样想的：他认为炉子里电磁波携带的能量是一小团一小团的，它是某个基本能量的整数倍，但是分数是不允许的。波所携带的最小能量是有频率决定的。具体说，他假定一列波所具有的最小能量正比于波的频率：高频意味着大能量，低频意味着小能量。就这样总的能量加起来，就会是一个合理的值。消除了毫无意义的无限大结果，普朗克迈出了重大的一步。不过人们真相
9、信他的猜想是对的，还是因为新方法计算的有限的烤炉内的能量与实验测量的结果惊人的一致。更特别的是，普朗克在计算里调节了一个参数，从而准确度预言了在任意温度下测量的烤炉的能量。这个新进入计算的参数是波的最小能量单元与频率的比例因子，也就是著名的普朗克常数。普朗克常数是非常小的，大约是千亿亿亿分之一。普朗克常数这样小，说明能量包的尺度是非常小的。这也就是为什么我们觉得可以让琴弦的能量连续的变化，从而听到连续变化的琴声。虽然，按照普朗克的观点，波的能量实际上是一点点传播的，但那些点实在是太小了，一点跟着一点，仿佛是光滑连续流动的。在往后就是爱因斯坦对“光电效应”的思考，在这里就不详细介绍了。爱因斯坦的
10、解决方法与普朗克类似。在他看来，一束光其实可以认为是一股光粒子流，后来化学家路易斯给光的微粒取了一个好听的名字光子。然后争论就出来了，光是什么？粒子还是波？这个争论从很早就开始了。最后，英国物理学家托马斯杨在19世纪初做的关于光的双缝干涉实验证明光是一种波。后来，麦克斯韦为流行的光的波动观奠定了坚实的数学基础。但是，打倒了牛顿的神圣引力理论的爱因斯坦，现在却似乎又通过他的光子复苏了牛顿的光的粒子模型。当然，如果设想一下水，水是由大量的水分子粒子组成的，但是却可以表现出波的性质。那么似乎有理由猜测，光的波动性也来自于光的微粒图像，只要光的粒子数足够大。可微观世界更加难以捉摸。实际上，即使光源强度
11、越来越弱，直到光子以缓慢的速率逐个的打在双缝后的屏上，仍然会产生同样的干涉条纹。这是很令人惊讶的，相继通过缝隙然后独立打在屏上的一个个光子，如何能够“协同的”打在屏上产生明暗相间的干涉条纹呢？按照传统的思维，我们认为光子要么通过左缝，要么通过右缝，但事实却不是这样的。所以在微观世界里，我们应该接受这样的事实，它既可能是波，也是粒子。1923年，年轻的法国贵族德布罗意认为，波粒二象性不仅适用于光，也适用于物质。很快，实验发现电子也具有类似的波的性质，能产生干涉图样。在后来，根据这样的发展，在围观世界建立起了一门新的学科量子力学。去想象量子力学中的现象，你会发现都是荒唐的，虽然它们的确是真理。比如
12、说，量子力学解释光的干涉认为，光子实际上同时穿过了两条缝，然后选了一个它最想去的路径，到达屏上。至于那个光子是否曾经先飞到冥王星再飞回来，都是无法否定的。当然，也有一些有趣且相当荒唐的说法，比如：你贴在一面墙上，你是有一定的概率穿过这面墙的，当然，概率非常小，但是不是零。很多证据说明，量子力学和广义相对论没能达到最深层的认识。他们通常的适用范围是不同的。大多数情形，要么用量子力学，要么用广义相对论，不会同时需要他们。然而在某些极端的条件下，事物质量大且尺度小，例如在黑洞的中心、在大爆炸时刻的宇宙。为了得到正确的认识，我们即需要量子力学，也需要广义相对论。可是，这两个理论却是完全抵触，互不相容的
13、。如果强行结合，总是会得到无意义的答案。之后就开始有人思考量子力学，是不是“离经叛道”。海森伯格发现不确定性原理就彻底把所有“复辟”幻想扫荡干净了。不确定性原理告诉我们，当我们考察的距离越小、时间越短，宇宙会变得越疯狂。于是结合量子力学与广义相对论的实验一次次失败。难道就没有解决办法了吗？终于超弦理论来了。弦理论很有可能就是终极理论。随着物理的发展，发现支配宇宙的只有四种力强核力、弱核力、电磁力和引力。量子力学可以解释前三种，用广义相对论解释引力。而弦理论就尝试的是重新构造一个世界，以和谐的容纳这四种力。弦理论认为，构成物质的是一种被称作弦的物质构成的，不同的弦有不同的震动形式，不同的震动形式
14、决定了该粒子的质量与力荷。1968年一位年轻的意大利物理学家在寻找一个方程组用来描述强核力，也就是使得每个原子中质子与中子相互粘在一起的原因。据说某天他在一本满是灰尘的数学史书中找到一组200年前的旧方程式，最先由瑞士数学家欧拉写下。他发现，这组欧拉方程竟然似乎能用来描述强核力。从此开始了弦理论的研究，也标志着弦理论的诞生。现在，弦理论构造了一个10个维度的宇宙，并且开始尝试解释引力。但是，问题出来了：弦理论不知一种，而是一下子出来了五种弦理论。当然，五种弦理论显然太多了，他们所需要找到的是万物之理，只有一种理论。不久这个问题便解决了，新理论认为我们之所以看到五种弦理论，是因为看到了五种不同的
15、同一理论的镜像。于是问题解决了，新理论被称作M-理论。至于这个M代表什么，没人知道。M-理论用10维的空间加上一维的时间，成功概括了全部的弦理论，M理论认为之所以之前会认为是9维是空间加上1维的时间，是因为对空间的计算进行了近似的结果。如果进行精确的计算，就能补回这忽略的一个维度。M-理论预言了一种没有质量的粒子用于传递引力，称之为引力子，用以解释为什么引力如此之小。虽然在我们的生活观念中，引力是最大的力，但实际上引力的确很小。M-理论认为，组成我们普通物质的弦是一种又开口的弦，它的两端被固定在一个三维膜上，虽然这种弦可以自由移动，但是不能离开这三维膜。类似于光子、一些中微子等等。但是引力不一
16、样，引力子是由闭合的弦够成的，它不能被固定在膜上，它可以自由穿越到其他膜上去，也就是说，引力实际上很大，但由于引力子会离开我们生活的三维膜，所以显得很小。同时也预言了所谓的“平行宇宙”的出现。只有引力子能够在不同的平行宇宙之间传递，或者说，引力的确是没有界限的，因为任何地方，引力子都能到。当然，弦理论或者说M-理论也有巨大的缺陷，那就是没有是因能够验证。如果没有实验能够验证一个理论正确或是失败，那这理论就是不完全的。但是以现在的技术是不可能的。因为弦理论所预言的弦的大小的数量级太小了，我们要发现它，所需的加速器将会有银河系那么大，引力子又是没有质量的，几乎没有办法检测到等等。新理论的研究可能不那么完善，但从中也能看出人类无穷的创造力。看完这本书，终于了解到基本是最新的理论正在干什么。我正在等待着这新的理论成为万物之理，解释这宇宙的一切。看完这本书，多少会感受到一定的激动。哦，原来我们的宇宙是这么的简单，如此的复杂。
