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高二语文一名物理学家的教育历程文学常识

⑴作者简介及主要作品

加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合著)、《量子场论》《超弦导论》。

⑵《超越时空》序言

科学革命，顾名思义，是向常识挑战。

如果我们关于宇宙的寻常观念都是正确的，那么科学早在数千年前就已揭开了宇宙的奥秘。科学的目标就是剥去客体的表层，揭示它们的内在本质。实际上，如果外表和本质是同一回事，那么科学也就没有存在的必要了。

对我们世界的认识，最牢固树立的常识性观念可能就是：世界是三维的。不言而喻，长、宽和高已经足以描述我们的可见宇宙中的所有物体。婴儿和动物实验已经证明，我们固有的观念--世界是三维的--可谓与生俱来。如果我们把时间作为另一维包含进来，那么四维足以记录宇宙中的所有事件。不管我们的仪器探测到哪里，从原子内部直到最遥远的星系团，我们所发现的都是这四维的踪迹。公开否认这种看法，即可能存在其他推度，或者我们的宇宙可能和其他宇宙共存，都会招致冷嘲热讽。对我们世界的这种根深蒂固的偏见，首先由2000年前古希腊哲学家作出推断。然而，它将服从于科学的进步。

本书涉及一场科学革命，这场科学革命由超空间理论所引发。超空间理论认为，有超越于人们普遍接受的四维时空的维度存在，宇宙可能确实存在于高维空间中。对此的认识，在世界范围的物理学家--包括好几位诺见尔奖得主--中正在扩大。如果这个理论被证明是正确的，它将会在我们对宇宙的认识上产生意义深远的哲学革命，用科学术语来讲，超空间理论是以卡鲁查一克莱因理论和超引力的名称出现的。但是它的最高级的表述形式被称做超弦理论，这一理论甚至预言了精确的维数：十维。通常的四维即空间的三维(长、宽和高)和时间的一维，现在被六个更加宽广的维度所扩展。我们注意到，超空间理论还没有在实验上被证实。实际上，在实验室中证明它极其困难。但是，这个理论已经横扫了世界上主要的物理研究实验室，不可逆转地改变了现代物理学的科学面貌，在科学文献中产生了数目大得令人惊愕的研究论文(每统计一次均超过5000篇)。尽管如此，却几乎没有为非专业听众解释高维空间的迷人性质而写的东西。

因此，公众至多也只是模糊地注意到了这场革命。实际上，在大众文化中随随便便提及其他维度和平行宇宙时常会引起误导。这是令人遗憾的，因为该理论的重要性在于它能在一个惊人简单的框架内统一所有已知的物理现象，本书第一次在科学上就有关超空间的引人入胜的现行研究作了可信易懂的捞述。

为了解释超空间理论何以在理论物理学界产生如此巨大的骚动，我阐述了四个基本论题，它们像一根线贯穿在这本书中。这四个论题将本书分成了四篇。在第一篇中，我强调的主题是：自然规律在高维空间中表达时，会变得更加简单和漂亮，并由此展开了超空间的早期历史。

为了理解所增加的更高维度如何能简化物理问题，可以考虑下面的例子：对古埃及人来说气候完全是神秘的。是什么引起季节的更替?为什么当他们往南走时天气会变暖?为什么风一般往一个方向吹?气候不可能从古埃及人很有限的实用观点得到解释。对他们来说，大地显然是平坦的澈像二维平面。但是，现在设想用火箭把古埃及人送到处层空间，在那里他们可以看到简单而完整的地球正在它的轨道上环绕太阳运行，刹那间，这些问题的答案变得清清楚楚。

从外层空间看，可以清楚地看到地球的轴偏离坚直方向约23度("竖直方向"是指地球环绕太阳的轨道平面的垂直方向)。因为有了这种偏离,在它的部分轨道上北半球所接收到的太阳光比在另一部分轨道上接收到的少得多，所以我们就有了冬天和夏天。又因为赤道接收到的太阳光比北极或南极地区接收到的多，所以当我们接近赤道时，气候变暖。类似地，由于地球相对于站在北极的人作反时针自转，因此寒冷的极地空气朝着赤道往南移动时会突然转向。热空气团和冷空气团在移动。在移动中，地球的自转决定了它们的方向。这样的空气团有助于解释为什么风总是朝一个方向吹，而且在不同的地方吹的方向不一样。

概括他说，一旦我们从太空眺望地球，相当的气候规律就很容易被认识。因此，解决这个问题的办法就是上升到太空、进入第三维，当在太空眺望三维的地球时，在平直世界上不可能明白的真相。就突然变得清清楚楚。相似地，引力的规律和光的规律看起来完全不一样。它们遵守不同的物理假设和不同的数学。试图拼这两种力总是归于失败。但是，如果我们在先前的四维(空间三维加时间)中增加一维即第五维，那么决定光和引力的方程看起来就像拼图游戏中的两块合并到了一起。光实际上可以被解释为第

五维中的振动，以这种方式，我们发现光的规律和引力的规律在五维中变得更为简单。

因而，许多物理学家现在相信，传统的四维理论太"小"而不能充分地阐明描述我们宇宙的那些力。在四维理论中，物理学家不得不用笨拙的、不自然的方式把这些自然力挤压到一起。此外，这种杂配理论是不正确的。然而，当基本力在超越四维的维度中被表达时，我们就有了"足够的空间"可以用漂亮、独立的方式去解释这些基本力。