关于物理学你需要知道的一切
特别注明：本文素材主要摘录自加来道雄的《Hyperspace》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。我们的想法是：凭借本文，回顾一下两百年来的科学史，看看那些代表着人类最高心智的数学家、物理学家们前仆后继探究宇宙本源的奇妙历程，并向他们致以最崇高的敬意！
这是一部壮丽的物理史诗，这是一串光耀后世的姓名。他们是：牛顿，高斯，黎曼，麦克斯韦，爱因斯坦，杨振宁，拉马努金，霍金，威藤……
那么，这些智慧的头脑到底有多智慧？
我们普遍接受这样一个结论，即我们现存的这个宇宙起源于一次大爆炸，英文叫做Big Bang！
但是，原子物理学家绝不可以止步在如此初级的常识上。他会告诉你，创世的刹那，是如下的演化阶段：
话说：一切，开始于10E^- 43 秒……（10的负43次方秒，也称为普朗克时间，人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值：c=299792458m/s=299792.458km/s。请注意了，这是一个定义值，而不是一个测量值。
言归正传，创世的刹那：
创世时间表
# 10E－43秒，十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃，缩成10E－32公尺。四维宇宙（我们今天所在的宇宙）则迅速爆炸，此时的温度高达10E32（10的32次方）度；
# 10E－35秒，大一统作用力崩解；
# 10E－9秒，电弱对称崩解，此时的温度是10E15度；
# 10E－3秒，夸克开始凝聚，中子与质子出现，此时的温度是10E14度；
# 3分钟，质子与中子开始凝聚成稳定的原子核；
# 30万年，电子开始凝聚在原子核周围，第一个原子出现；
# 30亿年，第一个类星体(quasar)出现;
# 50亿年，第一个星系出现；
# 100～150亿年，太阳系诞生，又经过数十亿年，地球上出现了第一个生命。
这个时间表，是哪位大神写的科幻小说吧？NO！这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。
的确，表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值，没有任何一个是可以直接测量的，因为目前咱们人类的技术和工具水平，还远远不能企及到那个数量级。但是，人类的心智却做到了。这个时间表里面的每一个数字的背后，都是一堆严密的公式和演算，都有一群知名或者不知名的物理学家和数学家，他们是我们人类最智慧的大脑。
回到时间表的第一个事件，“十维宇宙分裂”，这就是我们今天的主题了：超维度空间。让我们一起看看，两百年来，科学家们是如何探究世界的本源的。
让我们先厘清一个重要概念：
维度和多维宇宙
一只在直线上行走的毛毛虫只能前后移动，所以，我们把直线或曲线叫做：一维空间；
一只阿米巴扁平虫可以在球面上前后左右移动，所以，我们把平面或曲面叫做：二维空间；
一只鸟在我们的空间可以上下前后左右移动，所以，我们的空间叫做是：三维空间；
（加上时间一维，我们的世界是四维的，合称时空。在这个时空中你要准确标定一个点，需要四个数字，比如：淮海路、马当路交界，二楼，下午四点。）
依此类推，，，
如果，有人告诉你，多维空间（四维以上）的人，看着我们的保险柜或房子时根本就是内外一目了然，就像我们看着二维平面上的圆圈一样，你会不会大惑不解、无法想象、或者毛骨悚然？
当然，对于’眼见为凭’来说，这其实涉入了一个哲学难题。如果眼见才是真实的，那么高维度的对象就不是真实的。但从另一个角度来看，人不过是动物中的一种，阿米巴扁平虫只能感知二维的世界，我们如何证明我们所能感知的所谓’真实’，岂不是也受限于我们自己的认知条件？
必须承认的事实是：人类的大脑和眼睛，只是为了应付三维空间和四维时空的各种情况演化出来的，因此它们不具备辨识和解析高维度空间物体的能力。
超弦理论认为：宇宙真正的时空，其实是一个十维的空间，其中四维是爱因斯坦的时空流形（也就是我们的日常生活空间），另外一个和它’垂直’的还有一个很小很小的六维流形。在这个十维空间中，有一种最小单位的弦纵横其中。以类比的说法，十维空间是宇宙这座大琴的音箱，拨动这些弦造成不同的音高与音色，于是产生不同的基本粒子，进而发展出所有的物质与作用力。（最新的M理论，有别于超弦理论，认为宇宙是从十一维开始演进的。）
只有四种自然力
两千年来，科学家已经发现我们宇宙的所有现象，都可以简化成四个作用力：
1、电磁力（electromagneticforce)：包括电力、磁力和光本身，合称为电磁力。电荷（磁级）正负相同为排斥力，相反为吸引力。由光子传递，与电量成正比，距离成反比。长程力，在四种力中第2强。
2、强核力 (strong nuclearforce)：是夸克之间的吸引力，由胶子传递（束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递）。在有效距离内，距离越大，力越大。短程力，在四种力中最强，也是恒星燃烧能量的自然力，氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。
3、弱核力 (weak nuclear force)：弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态，是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递，较弱，短程力，作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。
4、重力 (gravitational force，或称引力）：由引力子传递，与质量成正比，距离成反比。长程力，在四种力中最弱。
为何要统一自然力？
一旦人类将所有的作用力整合成一个超作用力，这时会有什么突破。关于这一点，物理学家Paul Davies写道：
“我们能够改变时空的结构，了解宇宙万物的来龙去脉，让物质变得井然有序。控制超作用力后，我们便能任意地组合与改变粒子，制造出前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数，制造出具有不可思议属性的人工世界。我们将成为宇宙的主宰。”
回看一下人类掌握“力”的历史：
人类诞生的历史超过数千万年，在99.99%时间里，人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量，大概只有八分之一马力；
十万年前，随着手持工具的发明，人类的能量输出倍增，达到一又四分之一马力；
牛顿发现万有引力和运动定律，让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机，人类掌握的能量达到数十到数百马力；
麦克斯韦方程式，启迪了爱迪生等发明家，人类进入电力时代，能量级数获得飞跃，极大地改变了人们的生活。
爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代，人类掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。
历史地看，每当人类控制一项自然力，都能大幅提升人类所能掌握的能量，让整个社会改头换面。（那么，未来的人类需要多大的能量？10E 20亿电子伏特起步，超过了现在的一千亿倍。否则，我们将无法使空间弯曲，解决航行到遥远星际的难题；或者，在宇宙崩溃的瞬间，有足够的能量打开六维宇宙，逃离灭亡的劫难。）
下面，就让我们按照时间顺序，回顾一下人类整合四种自然力的历程：
（本文虽然涉及诸多专有词汇，但我们尽量直白描述。理解这些前辈的伟大思想其实不难，并不需要多少艰深的专业知识，只要：一点常识＋一点逻辑＋一点耐心。）
第一个走进这段物理史诗的，是一位数学家：黎曼。
黎曼，支撑爱因斯坦的巨人
牛顿曾经说：“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩上”。按照牛顿的这种说法，黎曼毫无疑问正是支撑起爱因斯坦的那个巨人。
一八五四年六月十日，一套新的几何学诞生了。黎曼在德国哥廷根大学发表了著名的演说，彻底撼动了两千年来从未被动摇过的欧几里德几何学。
黎曼是位数学奇才，高中时期只用区区六天时间完全吸收了《数论》（Theory of Number)，那是一部八百五十九页的艰涩巨著。
黎曼挑战希腊几何学，认为纵然欧几里德的数学运算极为精确，它的根基却只是常识与直觉的流沙，而不是扎实的逻辑推演结果。
比如，欧式几何说三角形三个内角之和等于一百八十度，但这个看似简单的问题，在数学史上却从来没有被严密证明过！而且，假如我们身处弯曲表面的世界，这个公式就不成立了。（行文至此，我们必须向欧几里得先生表达诚挚的敬意！每次想到他老人家两千多年前写就的《几何原本》至今仍然是全世界的中学课本，我就不寒而栗！那些至今未被严密证明过的公理，一个生活于公元前300年的希腊人是如何发现的呐？如果这个世界有“神迹”，欧先生当之无愧是其中之一！）
说回到黎曼，他的研究领域甚至延伸到电学，他认为电力与磁力实际上是同一种作用力的不同表象。据此他发展出作用力新解，作出了牛顿两百年以后的首次划时代重大突破，彻底推翻了牛顿的超距作用原则，他认为：作用力源自于几何学，作用力只是由于几何结构扭曲所造成的必然现象。（牛顿以后，科学界认为作用力是一种两个遥距物体的即时交互作用，一个物体可以即时影响间隔一段距离的其他物体的运动。）
我们总结一下黎曼的伟大之处：
1、他以多维空间理论简化了所有自然作用力；认为电力与磁力和重力一样，只是高维空间弯曲产生的结果。
2、他提出了虫洞（wormholes）的概念，黎曼切口是多重连结空间的一个最简单范例。
3、他以“场”来描述重力，以“度规张量”（Riemann metric tensor）描述空间里每一个点的重力场。（所谓“度规张量”，其实就是一组数字，类似坐标。）
黎曼英年早逝，并未找出电力与磁力的场方程式，也没有计算出空间要褶皱到什么程度才足以描述不同的作用力，这几项重要发展留给了麦克斯韦尔和爱因斯坦。
我们赞美阳光！它不仅孕育了的生命，同时也照亮了人类的思想。爱因斯坦，是那个御光飞行、穿越时空的人。
爱因斯坦小时候，常以简单问题自问自答：“如果你追上一束光线，它看起来是什么样子？你会不会看到一束静止的光波，冻结在时间中？”这个问题，让他在后五十年里，带领人类走进了时空神秘之旅。
十六岁时，爱因斯坦发现世界上似乎并没有能够追上光速的东西。二十六岁时，他用严密的数学证明了这一发现。在瑞士专利局担任低阶职员的他，用麦克斯韦尔的场方程式推导出狭义相对论（special relativity）。
用一句话概括狭义相对论，那就是：光速在任何恒动架构里恒为常数。这个定理表面上看并不显眼，但确是人类心灵的最伟大成就之一！
爱因斯坦指出，无论我们怎样加速，无论我们自身的速度如何，人们所能测量的光速是一样的。
对于这一结论，爱因斯坦给出了超脱凡俗的解释，他认为：导致这个结果的原因是：时间变慢了！（这是石破天惊的一句）也就是说，我们移动的越快，我们的时钟就走得越慢，我们的量尺也越短，所以，我们测量的光速是不变的。
爱因斯坦进一步思考：那么，几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量，既然时间和量尺都是变化的，所以我们必须校正所有的物理量（quantity），于是他导出了下一个重大的结论：质量是从能量来的。
这个结论，一举推翻了十九世纪的两大物理发现：质量守恒和能量守恒。自此以后，质量与能量被视为单一单位：质-能（matter-energy）。
二十六岁的爱因斯坦同时给出了质能变动的方程式，那就是著名的 E＝mc²。
让我们再来追寻一下狭义相对论的推导过程：
光速恒定⇒时间变慢⇒质量不恒定⇒“质量-能量”相互转换⇒ E＝mc²
狭义相对论，统一了“时-空”，也统一了“质-能”。
统一了“时-空”以及“质-能”之后的爱因斯坦，进一步思考“时空”与“质能”之间的关系，也就是狭义相对论所忽略的加速度，还有重力。
这导致了他的下一个巨大成就：广义相对论。
再次，爱因斯坦由一个简单问题开始：“如果一个人处于自由落体状态，他就不会感觉到自己的体重？”爱因斯坦透过这个简单问题掌握了重力的基本特性：在加速度架构下的自然律和重力场的定律是一样的。这就是所谓等效原理（equivalence principle）。
透过等效原理，爱因斯坦重新思考关于光速的问题：光速会受重力影响吗？答案是肯定的，重力场会扭曲光线的行进路线。
但是！但是，根据费玛最短时间原理，光线会采取两点之间的最短时间路径，爱因斯坦再次得出一个令人震慑的结论：如果我们可以观测到光线以曲线前进，那就意味着空间本身是弯曲的！（光以曲线前进这一预测，已经被后人的无数次实验反复证明。）
伟大的爱因斯坦进一步得出结论：质能的存在造成周围时空的弯曲。
我们前面讲过，数学家黎曼早在一八五四年就提出了作用力与空间弯曲的关系，并提出了重力场论。爱因斯坦利用黎曼的研究成果，用数学形式表达了他自己的物理学新发现，这就是广义相对论（general relativity）。
让我们再来追寻一下广义相对论的推导过程：
光线以曲线前进＋光线走两点间最短时间路径⇒空间是弯曲的⇒“质-能”造成“时-空”弯曲⇒力学＝几何学
爱因斯坦的伟大，止步于他的第三次尝试。
在狭义和广义相对论之后，他终其一生研究统一场论（unified field theory ），简单说，就是试图寻找一个公式，能够同时描述光与重力。可惜，他最终没有成功。
对这一问题给出答案的，是Theodor Kaluza和Oskar Klein两位科学家，他们的理论我们称之为“卡鲁扎-克莱因理论”，简单说，这个理论就是：在五维空间里，将光与重力的理论统一了起来。
可是，第五维到底在哪里？卡鲁扎说：第五维已经崩解成一个圆圈，它的体积实在太小了，连原子都装不下，因而也无法测量。一九二六年，克莱因甚至计算出第五维的尺寸只有10E－33公分（10的负33次方），而探测如此微小距离所需要的能量也就是是所谓普朗克能量（Planck energy），相当于10E 20亿电子伏特，百万兆倍于质子蕴藏的能量。
卡鲁扎-克莱因理论在当时并未收到广泛关注和普遍认同，领一时风气之先的是另一套全新的理论：量子力学（quantum mechanics）（码了这么多字，原子物理学家终于登场了！）
超弦，统合所有作用力和自然律
拉马努金，确立十维宇宙
宇宙的生灭
一、宇宙的诞生
正如我们之前所介绍的那样，创世的刹那，开始于“大爆炸”Big Bang，自10E－34秒开始，历经150亿年形成我们今天的宇宙。
宇宙“大爆炸”的实验证据主要有以下四点：
1、经由测量恒星光线的扭曲的现象，一再证实恒星正以高速远离我们而去，而且，离我们越远的恒星或星系，会以越高的速度远离我们而去；
2、“大爆炸”理论预测宇宙中氦与氢的比例应该接近25% : 75%，实际测量数据与该预测高度吻合；
3、通过对放射性物质衰变的测量，我们可以为地球上的岩石和陨石断年，目前没有发现任何物体可以追溯到“大爆炸”之前；
4、“大爆炸”产生了宇宙回音，这种微波辐射至今仍在宇宙回响，一九六五年，人类侦测到了这个微波背景辐射（microwave backgroundradiation）。
二、宇宙的灭亡
我们先看看每颗恒星的生命历程：
恒星由大量氢气聚合形成，氢元素融合形成氦，由于氢质子的重量超过氦质子的重量，因此氢聚合成氦时就会有多余的质量，这些质量依据爱因斯坦的质－能公式 E＝mc²成为能量，这个能量将原子核束缚在一起，并将部分能量释放出来，使太阳发光发热。
之后，经过数十亿年光阴，氢气逐渐耗尽，核熔炉逐渐熄灭，重力成为优势作用力使恒星两次塌陷，恒星温度此时会急剧升高，成为“红巨星”，再然后成为“白矮星”，“白矮星”爆炸成为“超新星”和“中子星”，“中子星由于重力继续塌陷，最后成为“黑洞”。
在这一历程中，恒星内部的元素按照“结合能量曲线“依次变化。
在了解了恒星乃至整个宇宙的生命历程之后，必须要回答的问题是：在这个刹那之前呐？是否有那个第一推动力？或者说，是否有那个点燃Big Bang的上帝存在呐？
数百年来，伴随着科学发现的不断积累，宗教界关于上帝存在的坚持已经退守到这样一个境地，那就是说：大霹雳之前到底发生了什么？牛顿生前并没有能够解答这个关于“第一推动”的问题，他把它归功于“上帝之手”。
但事实上，以超弦理论为集大成者，今天的科学家群体，不仅给出了Big Bang创世之后的宇宙发展历程（包括宇宙消亡的历程），同时也给出了Big Bang之前的宇宙存在的假说，那就是关于平行宇宙、黑洞、虫洞等相关理论。这些理论在解答了“第一推动”这个疑问的同时，再次撼动了上帝存在的证明。
昔日尼采有言“上帝已死”，现在霍金在《大设计》第一页上就宣称“哲学已死”，因为“哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐”。这是一个极为傲慢的“宣言”。他的意思是，世界本源是所有哲学流派的终极思考，而现在科学界已经给出了世界本源和宇宙发展的全部解释，所以，哲学的使命已经终结了。
的确！“唯物”、“唯心”，甚至“客观存在”，都已经被量子理论、超弦理论彻底动摇！
与此同时，上帝也被霍金“扫地出门”，他在《大设计》末尾宣称：因为存在像引力这样的法则，所以宇宙能够“无中生有”，自发生成可以解释宇宙为什么存在，我们为什么存在。所以“不必祈求上帝去点燃导火索使宇宙运行”。也就是说，上帝现在不再是必要的了。（请参看霍金《哲学已死》，朱清时《物理学步入禅境：缘起性空》）
霍金，平行宇宙
如果霍金说的没错，世上就存在着无数的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常数，大多数宇宙都是一片死寂，不具备孕育生命的物理定律。但是在某一个宇宙中，它的物理定律恰好符合生命的条件，这就是我们的宇宙。
如果这种理论属实，我们就不必把生命的起源归诸于上帝。
宇宙航行 & 遁入高维度宇宙
前文说过，太阳系乃至这个宇宙，终究难逃消亡的命运。那么，智慧生物是否作为宇宙的一部分因而最终难逃灭亡的宿命呐？
我们的希望，就在十维宇宙和超弦理论！
按照超弦理论，我们的宇宙诞生于一个十维宇宙，由于这个十维宇宙的对程结构不稳定，在“大爆炸”时分解为一个四维宇宙（我们现在的宇宙）和一个六维宇宙。四维急剧膨胀，历经150亿年形成了我们今天的宇宙；而六维宇宙则急剧收缩成为一个10E－32公分的微小世界。
这个六维宇宙在哪里？它就在我们的周围！只是因为它太微小以至于无法观测得到。假如，我们能够观测得话，它会是什么样子呐？这是近几十年内大量数学家、物理学家研究的课题。其中，以华裔科学家丘成桐命名的卡拉比－丘流形是比较得到认可的一个答案。
上图是一个六维卡拉比－丘流形的二维截面图。也是说，该图相当于是一个六维空间的“影子”。
接着说，当我们的四维宇宙崩溃时，与大爆炸那一刻相反，原本收缩的那个六维宇宙开始慢慢展开，智慧生物有机会在这一个瞬间，由四维宇宙逃入六维宇宙，获得新生。
这一个过程，需要我们掌握更强大的力和能量，才能驾控宇宙，获得新生。举例说：那时我们需要极高速的宇宙飞船，但根据狭义相对论我们知道我们永远不可能达到光速，那么我们怎么跨越动辄以光年计数的漫漫长路呐？不违反爱因斯坦的自然律而又能够实现可能的时空跨越的方法，就是人为把时空弯曲。
打一个容易理解的比方，就好比在地毯的另一边有一个瓶子，我们不需要走到地毯的那一边去拿到它，我们可以坐在原地，把地毯逐渐拉向我们，通过使地毯逐渐卷曲，来拉近我们和瓶子的距离，以这样的方法最终拿到瓶子。
这就是不需要跨越距离，但是却可以从一点到达另一点的方法：弯曲时空。而弯曲时空所需要的能量，是我们现在所掌握能量的一千亿倍。这就是统合自然力的目的所在。
前文说到，量子力学还描述了另外一种宇宙消亡的情景，那就是质子和中子衰变。根据大一统理论，我们所知道的一切物质，包括太阳系和地球、也包括智慧生物身体内的质子和中子最终都会分解。
那时，智慧生物就需要用新的质子和中子合成新的原子核。这同样需要巨大的能量，和弯曲时空所需要的数量级相当。这也是统合自然力的意义所在。
结语
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