《一名物理学家的教育历程》有关资料Word下载.docx

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比如对于古人来讲，风暴是怎样产生的，风暴会袭击什么地方，什么时候袭来，什么时候结束，他们是一无所知的，因为他们生活在平坦的大地上，只能靠肉眼从近似于二维平面的角度来观察，即使有简单的预报，也都是靠经验来推测的。

现在有了气象卫星，从太空这样三维角度观察地球，在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚，可以精准地预报风暴的动向。

同样，理论物理学家认为，传统的四维（空间三维加上时间）理论太“小”，不能解释宇宙中的四种力。

当他们超越四维而在更高维（如十维或更高）中寻求统一这四种力时，就能得到一种简单、漂亮的解决模型（科学家认为宇宙应该是简单、和谐的）。

高维空间理论认为，宇宙大爆炸后10-43秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，四维宇宙暴胀，经过近150亿年，演变成今天我们生活的宇宙。

大爆炸后10-35秒，大统一力分开。

但是高维空间理论很难在实验室中得到证实，因为要模拟当时的环境，需要的能量太大，根本无法做到，所以现在高维空间理论只能是“理论”。

【与课文相关的章节（加来道雄）】

面向第五维

由于家境贫寒，我的父母担忧我将不能把自己的实验和教育继续下去。

幸运的是，我为我的各种科学计划争取助学金的行动引起了原子科学家泰勒（EdwardTeller）的注意。

他的妻子慷慨地安排我接受四年的奖学金去哈佛大学学习，允许我在那里实现自己的梦想。

具有讽刺意味的是，尽管我在哈佛开始了自己在理论物理方面的正规教育，但也正是在这里我对更高维数的兴趣消失殆尽。

像别的物理工作者一样，我开始严格而又全面地学习与每一种自然力所对应的高等数学，这些自然力彼此之间是完全孤立的。

我仍然记得给我的电动力学老师解题，然后我又问他如果空间在更高的维数中弯曲，那么答案可能会是怎样。

他以一种奇异的方式看着我，好像我有点疯狂似的。

像比我先来的人一样，我不久就学会把孩提时代关于更高维数空间的念头搁置一边。

我被告知：

超维空间不是一个合适的严肃研究课题。

我从来就不满足于对物理学的这种支离破碎的处理，思绪常要飘回到茶园中鲤鱼的身上。

虽然我们常用的电磁场方程在19世纪就被麦克斯韦发现，他的这一工作十分完美，但方程好像相当随意。

我觉得物理学家们（像鲤鱼那样）发明的这些“力”，实际上掩盖了我们对物体怎样能够不彼此接触而运动这一问题的无知。

通过学习，我知道19世纪有一场大争论，就是光怎样在真空中传播。

（事实上，从恒星上发出的光可以通过外部空无一物的空间毫不费力地传播好几万亿千米。

）实验也毫无疑问证明了光是一种波。

但是，如果光是波的话，那就需要一些使它发生“波动”的媒质。

声波需要空气，水波需要水，而在真空中却没有可以使光波动的东西，人们对此深感疑惑。

没有使光波动的媒质，它怎能成为波呢?

于是，物理学家们就捏造出一种所谓的以太物质，这种物质作为光的媒质而充满整个真空的空间。

然而，实验却无可辩驳证明了“以太”并不存在。

令人惊奇的是，直到如今，物理学家对这一难题仍然没有作出真正的回答，但数十年来，我们却对这样的思想习以为常：

即使没有什么媒质，光照样可以在真空中传播。

──作者注。

后来，当我成为加利福尼亚大学伯克利分校的物理学研究生后，我非常意外地发现有一个变通的办法，尽管这个办法会引起人们的争论，但是它可以解释光怎么能在真空中传播。

这个变通的理论十分古怪，因此当我偶然间发现它之后十分震惊。

这种震惊与许多美国人乍闻肯尼迪（JohnKennedy）总统被枪杀的感觉颇为相似。

他们能永远记住他们听到这一惊闻的那一刻正在干什么，正在和谁说话。

当我们第一次偶然遇到卡鲁查-克莱因（Kaluza&

middot;

Klein）理论时，我们这些物理学家也深感震惊。

因为这一理论被认为是一种不成熟的推测，因而从不在研究生课程上讲述。

于是，留给年轻物理工作者们的只是在有关读物中偶然地去发现它。

这个变通的理论给光作了一个最为简单的解释：

它实际上是一种第五维（或如神秘主义者通常所说的那个第四维）上的振动。

如果光能通过真空传播，那是因为真空本身在振动，因为“真空”实际上存在于四维的空间和一维的时间之中。

加上第五维之后，引力和光就能以惊人简单的方式统一起来。

回顾我童年时代在茶园的体验，我突然意识到这就是我梦寐以求的数学理论。

然而，老的卡鲁查-克莱因理论有许多困难和技术问题，这就使得它半个多世纪来一直被束之高阁。

可是，过去10年中这一切都发生了变化。

这一理论的更高层次的翻版，如超引力理论，特别是超弦理论，已经最终消除了该理论的不自洽性。

突然之间，更高维数的理论正在世界各地的实验室中被竞相检验。

世界上许多头面物理学家现在相信，在普通的四维时空之外存在有更高的维数。

这一思想事实上已经成为科学研究的热点。

的确，许多理论物理学家现在认为更高的维数是导致某种无所不包理论的关键步骤，这个理论──超维空间理论──将把许多自然规律统一起来。

如果这被证明是正确的，那么未来的科学史家们可能会很好地记下：

20世纪科学一大观念性革命就是懂得了超维空间可能是解开自然和宇宙奥秘的关键。

这种富于启发性的概念导致这方面的科学研究纷至沓来：

世界各国主要研究所的理论物理学家们写出了好几千篇探索超维空间性质的学术论文。

《核物理》和《物理快报》这两种重要的科学杂志中登载着大量这方面理论分析的文章。

已经举办了两百多次国际物理学会议来探索高维数的重要性。

不幸的是，在验证我们的宇宙存在于更高的维数中方面，实验与理论还相差甚远。

然而，这个理论现在已经作为现代理论物理学一个合法分支而牢固地确立起来。

例如，爱因斯坦度过他生命最后时光的普林斯顿高等研究院（我在那里写成了本书）现在是一个研究高维时空的活跃的中心。

1979年诺贝尔物理学奖得主温伯格（StevenWeinberg）最近在评述理论物理似乎变得越来越像科幻小说时，对这一观念革命作了总结。

我们何以不能看见高维?

这种革命性的思想初看起来似乎很奇怪，因为我们理所当然地认为我们天天生活在三维世界之中。

已故物理学家帕格尔斯（HeinzPagels）曾说过：

“我们物理世界的一个特点如此显而易见，以至于大多数人从未怀疑过空间是三维的这一事实。

”几乎是出于本能，我们知道任何一个物体可以用它的长、宽、高来描述。

通过给出三个数字，我们就可以在空间确定一个位置。

如果我们想在纽约请某人吃饭，我们就说：

“在第42街和第1大道拐角处那座大楼的24层楼见面。

”头两个数字给我们确定的是街的拐角处，第三个数字则描述离地面的高度。

飞行员也可用三个数字来确定他们的精确位置，这三个数字是他们的高度和在坐标网格或地图上确定其位置的两个坐标。

事实上，通过精确测定这三个数字，就可以把世界上从我们的鼻子尖到可见宇宙中的每一点都准确地定出位置。

甚至婴儿也懂得这一点。

婴儿实验已经证明，他们将爬到峭壁的边缘，看看边缘的对面，然后就又爬了回来。

另外，他们也本能地懂得“左”“右”“向前”“向后”“向上”“向下”。

这样直观的三维概念从童年开始就牢固扎根于我们的脑海之中。

爱因斯坦扩展了这一概念，把时间作为第四维包括进来。

例如，请某人吃饭，我们必须讲明中午12点30分在曼哈顿见，即为了详述一个事件，我们必须对它的第四维──事件发生的时间加以描述。

当代科学家对爱因斯坦第四维概念以外的东西产生了兴趣。

流行的科学兴趣集中于第五维（在时间和三维空间之外的那个空间维度）和五维以外的东西。

（为了避免混淆，在本书中，我们屈从于习惯的说法，把第四维称为长、宽、高之外的空间维。

物理学家实际上把它当做第五维，但是我将遵从历史的惯例。

我们把时间称为第四时间维。

）

我们如何看见第四空间维呢?

问题是我们不能看见。

高维空间是不可能用眼睛观察的，因此再努力也没用。

著名德国物理学家亥姆霍兹（HermannvonHelmholtz）把人们不能“看见”第四维和盲人不能想象颜色的概念相提并论。

无论我们怎么滔滔不绝为盲人描述“红”颜色，但是用语言总是不能确切地把丰富的颜色告知盲人。

甚至已经对高维空间做了多年研究的有经验的数学家和理论物理学家也承认，他们不能形象化地描述高维空间，而是退到了数学方程的世界中。

尽管数学家、物理学家和计算机专家在解多维空间的方程时并没有什么困难，人类发现还是无法想象他们自己这个宇宙之外的宇宙。

我们充其量只能利用各种数学技巧来一睹高维客体的影子;

这些技巧是由数学家兼神秘主义者欣顿（CharlesHinton）在20世纪伊始构想出来的。

其他数学家，如布朗大学数学系主任班乔夫（Thomasbanchoff）已经写出一个计算机程序，它能把高维客体投影到二维平面即计算机显示屏上，而让我们来操纵它。

就像古希腊哲学家柏拉图（Plato）所说的那样，我们像穴居者一样抱怨只能看到洞外丰富生活的朦胧而灰暗的影子，班乔夫的计算机程序也只能让我们瞥见高维客体的影子。

（事实上，由于进化的原因，我们不可能目睹更高的维数。

我们的大脑已经进化到能在三维之中处理大量的紧急事件。

我们能即刻认出跳跃的狮子或突袭的大象，并作出反应。

事实上，那些能较好地看出物体在三维空间中如何运动、旋转、扭曲的人，与那些不能看出这些运动的人相比，具有明显的生存优势。

遗憾的是，人类并没有需要把握在四个空间维度中运动的生存压力。

能够看见第四空间维当然无助于人们抵御剑齿虎的突袭。

狮子和老虎不会通过第四维来袭击我们。

自然规律在高维中更简单

芝加哥大学著名的费米研究所的理论物理学教授弗罗因德（PaterFreund），是喜欢用高维宇宙的性质来愉悦听众的一个物理学家。

他是超维空间理论的早期工作者之一，当时这一理论与主流物理学相比被认为是奇谈怪论。

他和一小部分科学家孤立地对高维科学研究了多年。

而现在这门学科已经变成一个时髦而又合法的科研分支。

使他高兴的是，他早期的兴趣最终得到了回报。

弗罗因德与传统的那种狭隘、顽固、不修边幅的科学家形象极不相符。

相反，他文雅、口齿伶俐而又富于教养。

他善于诡谲而顽皮地笑，他的笑使那些非科学家人士为突破性科学发现的迷人故事而倾倒。

他会随意写上满满一黑板方程式，或者与别人在鸡尾酒会上开点无伤大雅的玩笑。

他说话时带着浓重而明显的罗马尼亚口音，拥有生动迷人地解释那些极为神秘复杂的物理概念的绝技。

弗罗因德通常会提醒我们，科学家们已用怀疑的眼光来评述更高的维数，因为它们既不能被测量也没有特殊的用途。

然而，当今的科学家却逐步意识到，任何一种三维理论都“太小”，不足以描述控制我们宇宙的力。

像弗罗因德强调的那样，过去10年中贯穿于物理学的基本主题是：

自然规律在高维空间表述时会变得更为简单和优美。

高维空间是自然规律的天然栖息地。

光和引力的定律在高维时空中找到了一种天然表述。

统一自然规律的关键步骤是增加时空的维数，从而能合理安排越来越多的力。

在更高维中，我们有足够的“空间”来统一所有已知的物理力。

在解释为什么更高的维数正在激发起科学世界的想象力时，弗罗因德用了下列类比：

“想想地球上跑得最快的动物中的猎豹，它皮毛光滑而又美丽，在非洲的热带草原上漫游。

在它的天然栖息地，猎豹是一种了不起的动物，简直是一件艺术品，它的奔跑速度或