《穿越之後我帶領國家登臨宇宙之巔》第22章 《時間簡史》《宇宙的琴弦》(2)

作者:穿越者大軍的一員·21天前

但閉上眼睛之後,她的腦子不會停止工作。她會在腦子裡回放今天讀到的內容,把新知識和舊知識連線起來,構建一個更完整的物理學史框架。

霍金在第一章結尾寫道:“宇宙在時間上有沒有開端?在空間上有沒有邊界?這些問題是人類理性探索的終極問題。它們不能用日常經驗來回答,但可以用科學方法來探索。”

林小鏡在黑暗中睜開眼睛,看著天花板。

宇宙有沒有開端?她在原世界學到的知識告訴她:有。大爆炸。137億年前。但大爆炸之前是什麼?霍金在書裡說,大爆炸之前沒有時間——時間是從大爆炸開始的。所以“大爆炸之前”這個問題沒有意義,就像問“北極點的北邊是什麼”一樣。

但林小鏡覺得,這個答案不夠好。不是錯誤,而是不夠好。“沒有意義”是一個邏輯上的解答,不是一個物理上的解答。她想要的是一個物理上的解答——一個能描述“大爆炸之前”的物理狀態的數學框架。霍金後來提出了“無邊界宇宙假說”,用虛時間取代即時間,消解了開端的問題。但那只是一個假說,沒有被實驗證實。

她翻了個身,把被子拉到下巴。

也許有一天,她能找到更好的答案。也許有一天,她能站在霍金的肩膀上,看得更遠。但那天還遠。她現在才六歲,連大學都沒上,連霍金的理論都只讀了一章。

她閉上眼睛,強迫自己入睡。明天還要上學。明天還要偽裝。明天還要繼續。

一年級下學期第四周,林小鏡讀完了《時間簡史》。不是“翻完了”,是“讀完了”——每一章都讀了,每一個概念都理解了,每一個公式都推導了。書裡沒有複雜的公式——霍金說過,每多一個公式就會嚇跑一半讀者,所以他只寫了一個公式:E=2。但林小鏡在腦子裡補充了那些被省略的公式:愛因斯坦場方程、史瓦西度規、弗裡德曼方程、霍金輻射的推導。

她不需要在紙上寫出來。她可以在腦子裡完成所有的數學推導,就像她在幼兒園午睡時做的那樣。現在她的腦子比三歲時強大了很多——三歲時她跑一個三階行列式都會卡頓,現在她可以在腦子裡解偏微分方程,流暢得像原世界高中時一樣。

讀完《時間簡史》的那天晚上,林小鏡在“問題”筆記本上寫下了新的問題:

“霍金輻射的熵資訊悖論——資訊掉進黑洞之後去了哪裡?這個問題在原世界沒有解決,在這個世界解決了嗎?需要查最新的物理學文獻。”

“宇宙的起源——大爆炸之前是什麼?無邊界假說能自洽嗎?能否透過觀測驗證?”

“時間的本質——時間的方向為什麼是熵增的方向?為什麼我們的意識只能感知時間向一個方向流動?時間倒流在物理上是可能的嗎?”

她寫了滿滿一頁,然後合上筆記本,放回抽屜深處。

下一個目標:《宇宙的琴絃》。

這本書比《時間簡史》難得多。《時間簡史》是給大眾讀的科普書,霍金儘量避開了複雜的數學和深奧的概念。《宇宙的琴絃》雖然也是科普書,但它講的是弦理論——一個尚未被實驗證實的、數學極其複雜的、試圖統一量子力學和廣義相對論的理論框架。林小鏡在原世界沒有讀過這本書,她對弦理論的瞭解僅限於一些科普文章和紀錄片片段——知道弦理論認為基本粒子不是點狀的,而是一維的“弦”,弦的不同振動模式對應不同的粒子。

她需要從頭學起。

一年級下學期第五週,林小鏡開始讀《宇宙的琴絃》。

她選擇在週末的下午讀這本書,地點是書房,時間是林建國加班、蘇婉清午睡的時候。她不需要用手電筒——白天的自然光足夠亮,而且沒有人會突然進來打斷她。

她翻開第一章:弦理論的誕生。

作者布萊恩·格林從物理學史講起,回顧了量子力學和廣義相對論的成功與衝突。量子力學在微觀尺度上取得了巨大的成功——它精確地描述了原子、分子、基本粒子的行為。廣義相對論在宏觀尺度上取得了巨大的成功——它精確地描述了引力、時空、宇宙的演化。但這兩個理論在根本上是矛盾的——量子力學的基礎是“不確定性”,廣義相對論的基礎是“確定性”;量子力學假設時空是平坦的背景,廣義相對論認為時空是彎曲的動態實體。當試圖把兩者結合起來,描述黑洞中心或宇宙大爆炸時刻的極端條件時,數學就崩潰了——出現無窮大的、無意義的、無法消除的發散。

弦理論試圖解決這個矛盾。它的核心思想是:基本粒子不是零維的點,而是一維的弦。弦的尺度極小——普朗克長度,約10的負35次方米。在這個尺度上,弦的不同振動模式對應不同的粒子——一個振動模式是電子,另一個是光子,另一個是夸克。就像小提琴的弦,不同的振動產生不同的音符。

林小鏡讀到這一段的時候,放下書,閉著眼睛想象了十的負三十五次方米是什麼概念。一個質子的大小是十的負十五次方米,普朗克長度比質子小二十個數量級。如果把一個質子放大到太陽系那麼大,普朗克長度還不到一個原子的大小。這個尺度,遠遠超出了任何現有實驗的探測能力——這也是弦理論至今無法被實驗驗證的原因。

她睜開眼,繼續讀。

格林在第二章裡解釋了弦理論的數學框架。林小鏡讀到這裡的時候,開始遇到困難了——不是因為語言障礙,而是因為數學基礎不夠。格林用了很多數學概念:黎曼曲面、共形場論、超對稱、卡拉比-丘流形。這些概念,林小鏡在原世界沒有學過,在這個世界也沒有接觸過。她知道自己需要先補數學——不是高中水平的數學,是大學高年級和研究生水平的數學:微分幾何、拓撲學、複分析、群論。

她合上書,靠在椅背上。

她意識到,她的知識地圖上出現了一個巨大的空白區域。數學。不是基礎的算術、代數、微積分,而是高等數學——那些她原世界沒來得及學、這個世界也還沒接觸到的數學分支。沒有這些數學工具,她無法真正理解弦理論,無法真正理解廣義相對論,無法真正理解任何前沿物理學。

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