超弦论
上QQ阅读APP看书,第一时间看更新

两个物理学巨人

在许多方面,爱因斯坦和海森堡的命运是奇怪地互相交织的,尽管他们创造的统一理论完全不同。他们都是德国人,是革命性的破坏传统的人,挑战他们前辈的既定智慧。他们是如此彻底地主宰了现代物理学,以至于他们的发现将决定半个多世纪的物理进程。

他们在惊人的年轻时代就做出了最好的工作。爱因斯坦发现相对论时只有26岁;海森堡制定大部分量子力学定律时只有24岁(21岁,完成博士学位),他获得诺贝尔奖时只有32岁。

两人都沉浸在世纪之交孕育了德国艺术和科学繁荣的知识传统中。大多数有抱负的梦想成为一流物理学家的科学家都进行过德国朝圣之旅。[20世纪20年代末,一位美国物理学家,不满意美国的原始物理水平,奔赴德国哥廷根学习,师从量子力学大师。这位物理学家J.罗伯特·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)此后建造了第一颗原子弹。]

两个人物的命运也都被德国历史的黑暗的一面——普鲁士军国主义传统和独裁触动。1933年,法西斯主义开始越来越明显时,爱因斯坦作为一个犹太人,为了自己的生命逃离了纳粹德国。然而,海森堡留在德国,甚至参与了希特勒的原子弹项目。事实上,德国的世界著名物理学家,比如海森堡的存在有助于说服爱因斯坦在1939年写了一封著名的给富兰克林·罗斯福总统的信,敦促他制造原子弹。几年前,OSS(中央情报局的前身)的前代理人曾揭示了盟国非常害怕海森堡,他们起草了必要时暗杀他的周密计划,阻止德国人制造原子弹。

除了个人命运,他们的科学创造也有着错综复杂的联系。爱因斯坦的杰作是广义相对论,它回答以下问题——时间有开始和结束吗?宇宙最远点在哪儿?最远的地方之外有什么?创世之初发生了什么?

相比之下,海森堡和他的同事,如欧文·薛定谔(Erwin Schrrdinger)以及丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)精确地提出了相反的问题——宇宙中最小的物体是什么?物质能无限制地分成越来越小的块吗?在提出这些问题的过程中,海森堡和他的同事创造了量子力学。

在许多方面,这两种理论似乎是对立的——广义相对论涉及星系的运动和宇宙,量子力学探索亚原子世界;相对论主要是一种连续填满所有空间的力场理论(例如,重力场可以与延伸到太空外层的像卷须一样的薄纱相比);相反,量子力学主要是原子物质的理论,它比光速慢得多。在量子力学的世界,一个力场仅是看上去平滑和连续地占满了所有的空间。如我们仔细研究,会发现它实际上是被量化为离散的单位。例如,光由称为量子或光子的微小能量包组成。

两种理论本身都不能令人满意地描述自然。爱因斯坦徒劳地将相对论推到断裂点,表明相对论本身并不能成为统一场论的基础。量子力学没有相对论也不满意,量子力学只能用于计算原子的行为,不能计算星系和膨胀宇宙的大规模行为。

然而,将这两种理论融合在一起,耗费了数十位理论物理学家近半个世纪的巨大精力。直至最近几年,物理学家借助超弦理论或许最终实现了它们可能的综合。