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29岁的理论物理博士后周思益吸引了数十万粉丝关注她的组织下,各种学历的人在群里一块热烈地讨论宇宙起源、黑洞、引力波。特别是很可爱的小女孩讲物理。屏幕里跳出一个眼睛更大、皮肤更亮的女孩,从不化妆的她此刻也会欣赏更漂亮的自己,制作的科普视频总以同一句话开场,昨天有小朋友问了我一个问题:也许只能怪理论物理过于深奥”估计全平台不超过50个人能看懂”他说多些生活里吹牛的谈资也不错。

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在网上做科普四个多月,29岁的理论物理博士后周思益吸引了数十万粉丝关注她的组织下,各种学历的人在群里一块热烈地讨论宇宙起源、黑洞、引力波。她喜欢给孩子,特别是很可爱的小女孩讲物理。或许有人觉得这是一种 “降维打击”,但对一个曾经的天才少女来说,接受自己的平凡后,她珍视科普这件事,也珍视其他孩子展现出的天赋。

文丨周航

编辑 | 王姗

本文转载自微信公众号“极昼工作室”(ID:media-fox),原文首发于2021年11月18日,原标题为《弦论女孩的秘密花园》,不代表瞭望智库观点。

1 女孩与“谢耳朵”

周思益只有一点和别的女主播相同:开美颜。只需轻轻一按,屏幕里跳出一个眼睛更大、皮肤更亮的女孩,从不化妆的她此刻也会欣赏更漂亮的自己。

女孩脸颊鼓鼓的,说话慢条斯理,语气没有起伏,像还没学声调的学生,制作的科普视频总以同一句话开场:“昨天有小朋友问了我一个问题”

不叫老铁、家人,她叫粉丝小朋友,并且自称幼儿园老师。可讲的内容,大部分人恐怕都听不懂,有的看标题就令人绝望,“如何理解p-v相变”“黑洞信息佯谬”,频繁出现的是彭罗斯图、度规等专业词汇。

因为经常拿手边的卫生纸做道具,她也自称“卫生纸主播”,比如讲圆柱的曲率,她拿出一卷用完的卫生纸筒,剪开,摊平,“所以你现在知道圆柱的曲率是多少了嘛?”讲AdS黑洞,又将一个卫生纸筒放进杯子,“卫生纸筒就代表了黑洞视界。”

比喻到这份上,很多人还是不理解,评论区经常有人调侃,“如果这是幼儿园,我应该是个婴儿。”

周思益觉得奇怪,自己讲得“比教科书简单一百倍”,怎么还听不懂呢。也许只能怪理论物理过于深奥,对于这个抽象世界,爱因斯坦的狭义相对论只是入门。

有趣的是,如此专业的科普,四个多月在快手也吸引了十五万粉丝关注。周思益发过自己的英文笔记,估计全平台不超过50个人能看懂,但点赞超过5000个,评论很多都是“何德何能刷到这个”。

粉丝大多是普通人。比如来自东北的杜先生,他是个普通文员,喜欢研究丹道,之前对物理毫无兴趣,刷到周思益却意外有些着迷,人到中年,他说多些生活里吹牛的谈资也不错。还有家庭主妇说,爱听她讲知识,“虽然有时听不懂,但很有兴趣。”

群里也藏龙卧虎,一个网名叫费曼的活跃粉丝,据传来自布鲁克海文国家实验室,这里诞生过7项诺奖。找到第六种夸克的费米实验室,也有人在群里传她的视频。

十多个粉丝群好多满员了,各种学历的人,中学生、本科生、博士生乃至大学教授,在里面一块讨论理论物理。周思益开玩笑,按照概率,粉丝里以后怎么也得出个诺奖。

这么多人喜欢自己,周思益觉得,大概因为自己很可爱,或者用网友的话说,“比较呆萌”。更准确说,一种反差萌,在深邃抽象的知识与物理圈少见的女孩之间。

有时候,粉丝讨论的不是物理,而是些奇怪的东西。比如她那头天生的卷发,就有粉丝发言,让打理打理,这时另一拨人刷屏说,这发型像爱因斯坦,多好啊。看着粉丝“掐架“,周思益笑得露出小门牙,继续习惯性地用手指给耳旁的鬈发打卷。

周思益主攻的是弦论,这算得上现代物理最前沿的领域,美剧《生活大爆炸》中,智商187的主角谢耳朵就研究这个。剧里谢耳朵的人设是书呆子,周思益某种程度上也是,29岁了,她从不捯饬自己,不会化妆,小学衣服穿到博士毕业,有些破得不行,还是妈妈没法忍扔了。

谢耳朵有理科生特有的浪漫,周思益也有,她评价弘一法师,弹奏的不是超弦,而是宏观世界的开弦(弦论里弦的分类),诗人李贺奇异的文学想象则仿佛生活在十维空间。

总之,在普通人眼里,她就是不折不扣的物理天才。这样的天才女孩带着一种特别的幽默感来做科普,用周思益自己话说,“可能属于降维打击。”

周思益在神户大学近照。讲述者供图

2 天才和“学渣”

她确实不是一般聪明,而是非常聪明。中学开始,她的物理作业就被当作标准答案。那些原理和公式,看一遍就理解,仿佛本来就在她大脑里。从没遇到过不会的题,翻下参考书,发现还没自己的解题步骤简洁。

很多科学天才都有直感,周思益也有,一个长方体掉入水中,排开水的重量等于所受浮力,这需要用公式演算推导,但在她脑海中,靠想象就知道该是这结果。

这样的女孩或许在其他地方会受到更多关注,但那毕竟是华中师大第一附中,某些榜单排名全国首位的高中,班主任和物理老师叫柳超美,他有一个全国知名的儿子,在国际数学奥赛满分拿下金牌,后来去了龙泉寺出家的柳智宇。

初中,周思益和爸爸一块做浮力实验。讲述者供图

直到填报高考志愿,女孩学物理这件事第一次看起来不那么妥当。爸妈强烈希望读医,女孩子嘛,做医生很不错,他们在武汉普通高校做老师,身边男同事都找医生,收入是自己的几倍。“什么难听的话都说了”,她依旧想去中科大学理论物理,连着几天躺在床上哭,不肯填志愿。最终是父母妥协了。

她一直相信,自己或许就是下一个爱因斯坦。但在中科大近代物理系,周思益意识到自己和真正的物理天才之间的差距。爱因斯坦的质能方程:E=mc²,如此简洁,如此深邃,她知道自己一辈子想不到。

同学也是更出色的存在。一个同班同学,毕业后拜入马尔达西那门下。周思益频繁提到这个阿根廷物理学家的名字,她最喜欢的当代理论物理学家,单篇论文引用在高能物理界排第一。

博士二年级,周思益攻读一篇马尔达西那关于宇宙对撞机的论文,啃了一年没啃明白。她买了张机票,来到普林斯顿大学,敲开了马尔达西那的办公室。偶像比想象中个矮,也和蔼许多,他声音很小,周思益听得心怦怦跳,聊了两个小时,她说,抵得上自己一年思考。

女孩坦然接受自己相对平凡的事实。但长久的热爱一直引她继续探索世界的物理本质。博士毕业,周思益去了斯德哥尔摩大学。在这座纬度比漠河还高的瑞典城市,因为疫情,周思益总一个人在宿舍度过。做理论物理,有纸、笔,一台能计算的电脑就够了。

她发明了一套独特的学习方法:和不同人合作多个项目,需要在不同领域来回切换,她的大脑钻出来多个小女孩。最常出现的是“弦论小女孩”,穿件绿色小马甲,留一头齐地长发,有时候,出现的又是“小火人”,字如其名,长得如同一团焰火,她们分别帮她理解和记忆弦论、热力学、引力波等不同知识。

在知乎,她写下了这些小女孩的故事,每个都四五岁,贪吃、爱玩,教一个叫思思的学生学习不同的物理知识。写多了,每个小女孩都像成了她生命的一部分,不由自主地出现,和她对话、辩论。周思益一度觉得自己人格分裂了,甚至考虑去看心理医生。

一年前,小说停更。她写下的东西受到了攻击,很多人说“四不像”,不是科普,不是小说,她说,这些声音吓得小女孩们都躲了起来。她也确实写不下去了。问题越发艰涩,和现实愈来愈远,找不到故事化表达的方式。

周思益觉得沮丧、虚无,她开始越发强烈感觉到,自己做的研究微不足道。如果说伟大的学者在设计一栋大楼,她只是在底下砌砖。至于探索最艰涩的难题,她在斯德哥尔摩大学的“老板”就是,她亲眼目睹了如何日复一日缺乏进展,根本没自信去做这样的工作。

同样在消失的还有身边的朋友们,很多去做了码农,也有厉害的进入金融业,用量化分析做投资。

相比之下,理论物理是座窄得多的独木桥。它不直接产生经济效益,注定依赖高校这样的学术机构生存。然而岗位稀缺,如果一个教授退休前培养30个学生,那意味着,30个人里只有一个能接过这份教职。

周思益不知道自己未来在哪。“像我这样的人真的太多了,可能你没见过多少,但是我是这个圈子的,真的,跟我一样的人多如牛毛。”她默默抬起头,目光游离了好一会儿,“(那些研究)我不做,也会有另一个周思益做。”

周思益在中科大校园,她胸口挂的饭卡贴着爱因斯坦头像。讲述者供图

3 未来的诺贝尔奖

《生活大爆炸》演到第七季,因为无法被实验证实,心灰意冷的谢耳朵放弃了弦论,事实上,周思益也差点如此。最终把她从虚无感中拉出来的,正是现在所做的科普。

最开始的原因,只是听学长说,做科普能赚钱,积累人脉,那时她正为工作焦虑。刚开始,她很害羞,不好意思传给熟人。她在港科大的导师王一还是通过别的途径看到,主动在朋友圈转发。

周思益是王一到港科大工作后收的第一个博士生。王一之前在剑桥工作,办公室挨着霍金,宇宙对撞机的概念就来源于他跟别人合作的准单场暴涨工作。王一觉得,理论物理研究依赖国家资助,做科普是回报社会最直接的方式。他也加入了周思益的粉丝群。

周思益(中)在香港科技大学课题组。讲述者供图

现在,周思益每天六点多就迫不及待起床,开始在各个群发言。

发言最多的,是一个叫“未来的诺贝尔奖”的小群。这个群由三个“小朋友”组建,真正意义上的小朋友,最大的17岁,上高一,最小的12岁,也上高一。

因为他们在粉丝群的专业发言,周思益最早发现了他们。她最喜欢12岁的女孩,逢人就夸她的天赋,“12岁能理解AdS黑洞的,我还是头一回见。”

在个人首页,周思益自我介绍,“喜欢给孩子讲有趣的物理知识,特别是给很可爱的小女孩讲物理”。她受过一些大人偏见,说物理属于男性,因此希望鼓励更多女孩走入这个领域。

12岁的女孩来自兰州,微信头像是科比,最早玩快手也是刷篮球视频,意外发现了周思益的存在,成了一个小小的追随者。对她来说,周思益的视频专业、有趣,能学到她好奇的知识。

和周思益很像,她的兴趣与生俱来,“物理像黑洞一样吸引了我”。为了学物理,她的微积分已经自学到泰勒展开(大学高数内容)。不过,在大学教心理的妈妈不太支持她自学,她说,妈妈希望她有快乐童年,“怕走‘小天才’路线对我造成压力和影响”。

性别倒没有困扰过她,她喜欢打球,平常更多和男生在一块玩,她形容自己是“男生女生的量子叠加态。”她还写了篇论文,建模型,做演算,分析什么情况更适合投打板球。

群里还有两个男孩,头像都是爱因斯坦,他们就没那么好运了,现实生活里,他们都没什么朋友,小小的群成了归宿。每天放学,他们第一件事都是打开几个群,看看有没有漏掉什么重要消息。

最近,他们俩一个在研究“慢滚暴涨模型”,另一个则在研究“相对论重离子对撞机”,彼此还暗自较着劲,比微积分学习进度。

“我真挺感谢周(思益)老师建立这个群的。”17岁的沈阳“爱因斯坦”说。他说,自己得过抑郁症,花了7年才走出来,因此还在读高一。他的童年痛苦不堪,因为轻微读写障碍,成绩“全沈阳到底了”,被老师孤立,挨同学打。小时候,他最开心的是去农村姥姥家看星星,一看就一两个小时。浩渺的宇宙面前,烦恼都不见了,他的脑海只留下一些遥远的问题,“宇宙之外存在更宏伟的宇宙吗”“有没有地外文明”。

另一个“爱因斯坦”之前也很孤独,13岁的他正在潍坊上初二,物理总考年级第一,但课堂上,他已经不敢说话了,曾经他提出过一些质疑,结果被老师叫到办公室一通批评。

担心影响成绩,小“爱因斯坦”的妈妈不太支持他钻研物理过深。最近期中临近,小“爱因斯坦”搬出了王一、周思益,讲他们的履历,说自己正跟着这些人学习呢,才得到继续用手机的允许。他还特别嘱咐,写了文章要配上他照片,“让我爸妈知道我不会让他们失望。”

周思益的中学生粉丝和他的物理书籍,最近他收到的是王一所著《一说万物》。讲述者供图

在进入现在的小团体前,他们学物理靠看科普书、公开课,通过搜索引擎找资料。周思益在他们眼中更像一个姐姐,带他们进入了真正的科学圈,甚至有了直接跟王一这样的学者请教的机会。

周思益把自己信得过的朋友们都拉进了群,让他们也指导几个孩子,帮忙下论文。她也特别喜欢跟这几个孩子聊天,相比一些大人,孩子们简单、纯粹,不会带给她烦恼。甚至碰到人际关系的困扰,她也会问问孩子们的看法。她现在的头像,一个大眼睛的卡通女孩,就是一个中学生主动帮她画的。

周思益感谢几个孩子的存在,证明她说的没错,有小朋友理解且喜欢她的科普。打心底里,她也相信,这些“别人家的孩子”,能听懂她讲解的天才,以后才可能研究理论物理研究——这就是她做科普的目的。

4 “我有所爱的物理了”

学生时代,周思益也一直是“别人家的孩子”。在其他大人口中,她是乖巧、懂事的“学霸”。每天放学回家,她会背着书包先给金鱼喂食,给植物浇水,然后回到自己的小房间安静地学习。

但当别人一直夸赞女儿出色、讨教经验时,她的妈妈江河度过的却是灰暗的看不到未来的人生。

“可能你们不知道,”电话那头,江河刚开口就哽咽了,几乎逐词吐露接下去令人震惊的话,“她是一个,几乎可以说是,残疾的孩子。”

出生后,周思益一直没能学会走路,快到2岁,才勉强能扶着墙站起来,夫妻俩去了很多省份,找了很多专家,诊断都是“进行性肌营养不良”,一种令人绝望的疾病,被判定活不过12岁。9岁那年,在上海华山医院,一个检验科的老医生给出更明确的诊断,中央轴空病。

和霍金所患疾病有些类似,中央轴空表现为肌肉无力,没霍金那么严重,但也没法治愈。家族里无人有类似疾病,应该来自小概率的基因突变。

绝望的父母经常将孩子送到爷爷那里生活,爷孙俩经常挽着手散步,一边走,爷爷就一边讲生活中的物理。爷爷退休前是高中特级物理老师,家里有一大堆物理道具,一根蜡烛、一张纸,给三四岁的周思益演示了小孔成像,他还给她做飞机玩,为她的金鱼做自动喂食器。在江河理解里,这就是女儿的物理启蒙。

周思益初中时去武大看樱花 讲述者供图

直到今天,周思益仍然不能像常人一样剧烈运动,蹲下后需要借力才能站起来。读本科时,她摔了一跤,第二天还是逞能,和同学骑了两小时自行车去采草莓,回来后,脚踝肿得像乒乓球,根本走不了路。

看起来,周思益从没被这件事困扰过。比如采草莓那次,接下去三个月,是一个女同学每天用自行车接送她去上课。“没有人因为这个不喜欢我,反而很照顾我。”她说。她无意隐藏,但也几乎不主动提起疾病影响。偶尔她也会失落,比如有喜欢的男孩而没能在一起,但哭几次就好了,甚至妈妈都为此难过更久。做科普后,这样的失落也没有了。

最近,周思益才告诉妈妈,自己在做科普,还有不少人关注,认识了好几所名校的教授,都邀请她去应聘。江河第一次下载了短视频软件,看女儿的视频,也看下面的互动。有条评论吸引了她,那个网友说,“你都29岁了,还不找对象吗”。

在江河眼里,女儿说话、做事,一直像个孩子般纯粹。为了向白血病儿童表爱心,大学里周思益剃过光头。博士时,周思益开始吃素,江河以为怎么了,结果她发来一篇科普文,讲牛打嗝、放屁,排出的气体加剧了温室效应。

江河理解网友也是出于善意。有段时间,她也被这个问题困扰,因为那个罕见疾病,这个问题显得格外沉重。但现在,江河早不去想这些事了,而是感恩女儿已经拥有的一切。

戳中她的是底下周思益的回复:“我有所爱的物理了,我也有你们的爱”。江河现在觉得,如果女儿能一辈子做她喜欢的事情,有爱她的人,那也是很值得的人生了。

(江河为化名)

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宇宙终极大统一理论?弦理论

量子力学和相对论是20世纪物理学的两大突破,但是两者之间却存在矛盾,始终无法很好的结合起来。在这样的背景下,有物理学家提出了弦理论,认为它是能够统一这两大学说的“万有理论”。你听说过弦理论吗?它真的能解答宇宙的终极问题吗?为什么要用弦来代替粒子作为万物基元,而不是其他东西?弦理论所提出的高维空间真的存在吗?它可以被证实吗?关于弦理论,你不知道、想知道的,都在这里!

嘉宾丨夏笳 西安交通大学副教授、科幻作家 周哲 科普博主妈咪说、西瓜视频创作者 黄庆国 中国科学院理论物理所研究员

本文转载自微信公众号“格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),原文首发于2021年1月2日,原标题为《宇宙终极大统一理论?弦理论 | 理性派对 第二季》,不代表瞭望智库观点。

1 神秘的弦理论,究竟是什么?

夏笳:今天我们要聊一个非常高能的题目:弦理论。喜欢科幻的朋友可能会看一些科幻小说,比如刘慈欣的《三体》,里面有非常玄妙的、前沿的理论物理,这些东西对于很多人来说非常烧脑。

今年,理论物理的最高奖叫“狄拉克奖”,三位获奖者都是做弦理论相关研究的。很多媒体报道了这件事情,但是很多人不知道什么是弦理论。两位老师能不能先简单讲一下什么是弦理论?它是怎么来的?它是为了解决一些什么问题?

周哲:简单来说,弦理论相当于我们认识世界的一种方式。这个世界是由什么构成的?最小的单元是原子,更小的是电子、夸克,但是,夸克往下还有没有更加基础的结构?

弦理论认为,世界最基础的结构是由“弦”构成的,“弦”就类似于橡皮筋,这就是世界最基本的单元。

夏笳:就是把“弦”作为世界最基本结构的一个基础单元,在此基础上解释很多物理现象、物理原理。

黄庆国:构成世界的最基本的单元是原子,它的中间有一个原子核,电子围绕着原子核转,原子核里面有质子和中子,而质子和中子又是由更基本的粒子,也就是夸克组成的。我们把电子、夸克都看作是点粒子,是没有结构的。

在数学上,它们就是一个点。但是会有一个问题,为什么同样是点的一个粒子,它有时表现为电子,有时表现为夸克?为什么这个点有这么丰富的物理信息?

我们描述自然界的相互作用时,最简单的电磁相互作用力就是库仑力,它的大小与距离的平方成反比。想象一下,如果一个电子是一个点,它自身也会产生电场,它又受电场的影响,因为它的大小是零,它的距离就是零,力的大小又与距离的平方成反比,那就会出现无穷大。当出现无穷大时,研究科学或研究物理的人就手足无措了,因为我们没有办法通过任何实验去看一个无穷大的东西。

为了解决这些问题,人们在上世纪70年代萌发了一种想法:构成世界的最基本的单元,它不是像电子、夸克这样的点粒子,而是一维的、像弦一样的东西。

这些粒子,为什么又表现出电子和夸克?因为这根弦可以振动,不同的振动模式对应不同的粒子,而且弦是有限大的,所以它也避免了无穷大的问题。

这就是为什么弦理论的思想一提出来,就吸引了很多物理学家,特别是理论物理学家感兴趣的原因。就像琴弦一样,它有两种状态,一种状态是两个端点是自由的,不连在一起,我们称为开弦。

电子、夸克这些基本粒子就对应弦的某种振动状态,而我们发现有一件很有趣的事情:只要有开放的弦,就一定有闭合的弦。因为一根开放的弦在演化运动的过程中,一定可以在某个地方结成一个圈。这就告诉我们一个很简单的道理,弦理论由开弦和闭弦构成,并且有开弦一定有闭弦,有闭弦不一定有开弦。一个圆圈再怎么扭,再怎么重新粘贴,它还是一个圈。所以弦理论有两种,一种是只有闭弦的弦理论,一种是既有开弦又有闭弦的弦理论。

2 解答宇宙终极问题?弦理论的诞生

夏笳:弦理论是在解释的过程中发明出来的一个想象的产物,并且产生了关于开弦和闭弦的系统。

弦理论发展的历程是什么样的?最初是谁想出来的?

周哲:物理学家一直希望找到一个统一的理论,能够描述四种基本作用力,但是当时的问题是引力还放在一边,比较困难。需要先把弱力和电磁力统一起来,强力也就是原子核内部的力已经有希望统一了。当时,意大利物理学家韦内齐亚诺在研究强力时,发现了一个公式(欧拉积分中的β函数),用这个函数可以处理强力中4个粒子的散射模型。但是,韦内齐亚诺的公式提出来后,并没有太多人重视,因为那时有一个理论学:量子色动力学,简称QCD。

QCD直接解决了强力的问题,所以在比较长的一段时间内,韦内齐亚诺的公式被人们抛弃了。后来其他物理学家,南部阳一郎等人把公式捡了起来,发现β函数之所以可以描述具有4个粒子的散射模型,是因为在β函数中可以把粒子当做某种空间延伸量,即一根弦。这样,弦理论才有了一个开端。也就是弦的不同振动模式,就对应了不同种类的粒子。

夏笳:这些基本粒子的不同特性,是怎么通过弦不同的振动来表现的呢?

黄庆国:一个粒子的基本性质主要包括质量和内部转动,也就是自旋,通过一些参数或量子数来描述,人们发现振动的弦具有与这些基本粒子一样的性质,所以我们就发现弦是可以用来解释这些基本粒子的。

弦理论起源于韦内齐亚诺猜的一个函数,但是它只能描述基本粒子物理里的强相互作用力,但是自然界中还存在另一种基本的相互作用力,也就是引力相互作用力,而之前很多理论学家试图把引力也纳入到这个理论框架中,爱因斯坦晚年也在这上面花费了很多时间,始终没有取得成功。

上世纪70年代,南部阳一郎和当时还是学生的米谷明民发现了一件非常有趣的事情,闭弦所传递的相互作用力,恰好就是我们想要去解释的引力这一基本相互作用力。但是他很快又发现一个很严重的问题,一根普通的弦在时空中振动,它只能够解释玻色子,但是构成这个世界的最基本的物质实际上是一种叫“费米子”的东西。

“费米子”是什么?比如,我在这里转一个圈,转360度就转回来了,而费米子不是,得转两圈才能转回来。电子、质子、夸克都是费米子,为什么构成这个世界的基本粒子必须是费米子?因为费米子有一个非常特殊的性质,叫做泡利不相容原理。泡利不相容原理是指任何两个相同的费米子,比如两个电子,不能同时占据同样的轨道,如果没有这样的性质,所有的电子都待在离原子核最近地方,就没有元素周期表了。正是由于这个原理,才有了元素周期表,使得有丰富化学性质的物质构成了绚丽多彩的世界。但是,一根弦在时空里运动、振动时不能产生费米子。为了解决这个问题,人们就需要引进超对称。

超对称是什么?我们通常描述普通的时空坐标,就是X轴、Y轴,还有另一个轴,它的坐标可以用一个数字表示,比如这个数字是位置距离原点一厘米或一分米,我们可以拿这个数字来做乘法,1×1等于1,但是为了得到一个费米子,人们发明了另一种奇怪的数字,叫做格拉斯曼数,它自己和自己相乘等于0。泡利不相容原理告诉我们,两个相同的费米子是不能处于同样的状态的,所以引入一个超空间后,原来的弦理论就变成了超弦理论,于是就可以实现费米子。

3 从弦理论到超弦理论

夏笳:用这样一套数学的方式来计算费米子,它的自旋、质量与观测到的电子、夸克是一样的,这样就诞生了超弦理论,超弦就是因为引入了超对称。

黄庆国:是的,它与我们通常接触到的时空结构不一样,我们将它称为超空间。

夏笳:很多时候,我们谈到弦理论就会谈到多维空间,其实它们不是一回事,这个空间是一个数学空间的概念,不是现实的物理空间,它只能用数学的方式去表达,至少目前为止,我们感受不到这个超空间的存在,它是不是真实存在的,我们还不知道。

周哲:刚才黄老师说,构成世界的粒子都是费米子,除此之外,还有与之相伴的玻色子,实际上就是传递四种基本作用力的基本粒子,比如电子和电子之间传达作用力,是通过不停发射光子的方式。

费米子有一个特点:它们满足泡利不相容原理。即两个全同的费米子不能处于相同的能量态,但是玻色子不一样,不管空间多么小,有多少个玻色子都没关系。

比如说引力无穷大,这对于费米子来说就无法做到,但对于玻色子来说,它就可以做到,这就是它们最大的不同。这也是引入以格拉斯曼数为坐标数的超空间的原因,这方面确实有些抽象。

夏笳:在那之后又出现了哪些新的猜想?

黄庆国:有了超弦理论后,人们就开始构造有开弦的弦理论,但是他们发现这个理论是病态的。上世纪70年代,温伯格、格拉肖和萨拉姆提出了一个非常成功的粒子物理的标准模型,使很多人都离开了弦理论的研究,去研究量子场论。

而当时只有一位非常孤独的研究者,美国加州理工大学的施瓦茨,他花了十年时间,终于想到了一个办法,他引入了一个32维空间的转动的对称性,解决了有开弦的超弦理论中的这种异常现象,从而得到了一个有可能描述现实世界的自洽的弦理论,这个发现震撼了整个学术界,从此开启了弦理论的第一次革命。

4 弦理论之王:M理论的提出

夏笳:虽然有很多地方我们可能不是很明白,但是听上去非常激动人心,之前的理论有一个致命的缺陷,最后一个像独孤求败的人,拿出了一个完全超出人类正常想象的奇怪模型。

黄庆国:超弦第一次革命开端后,很多人又重新回到弦理论的研究中。这些非常聪明的人又发明了另外四个弦理论,这四个弦理论也都是自洽的。这时就出现一个问题,描述我们所看到的自然界的正确理论应该是唯一的,但现在弦理论有五个,我们不清楚它们是否都是对的,但是它们看上去都是自洽的。

经过大概十年的研究,另一个非常著名的学者登场了,这个人就是爱德华威腾,在一次会议上,他提出了一个新的理论:M理论。这个理论统一了前面所有的弦理论,但是他并没有解释这个M的意思,大家众说纷纭。

有人猜M可能是Mystery,有人猜是魔术Magic,也有人说是Mother,还有人说是Master。有人说这些都不对。M是什么?把威腾的第一个字母W反过来写就是M,但是威腾从来没有解释这个M到底是什么意思。

夏笳:在M理论之前,所谓的五套弦理论都是根据第一个施瓦茨的理论,引入了32维空间的转动对称性,剩下四套理论是不是也都引入了这样一个多维空间的概念?

黄庆国:超弦理论只能生活在九维空间加一维时间的时空当中,如果不是这样的时空维度,这个理论是不自洽的,会出现一些病态。我们是怎么计算出时空维度的?之前的所有理论,比如爱因斯坦的广义相对论,还有量子场理论,都可以在任何的时空维数上去写,都是可以成立的。唯独弦理论,它限定了时空的维度,必须是十维,只有在十维时空里去计算它对应的光子的状态,光子才是零质量的,才跟我们观测到的光子的质量是一致的。但是在威腾的提出的M理论中,还有一个触角,这个触角并不是十维,而是十一维,也就是超引力理论,这是引入超对称之后的一个引力理论所能生存的最高的空间维度。

大家会问,超弦理论是十维的,你怎么又说到一个十一维的理论呢?在这个十一维的引力理论里,它存在一个非常基本的解,这个解不是一维的弦,而是一个二维的膜,就像一张纸一样。

这样的一个理论,为什么与十维一个弦理论有关系?这有一个很简单的道理,比如我们把一张纸卷起来,卷得很小,它就变成了一根丝,这就是十维的弦。

而二维的膜,它的英文单词是Membrane,所以有人说也许M理论中的M指的是Membrane。

威腾提出的M理论开启了弦理论的第二次革命,而第二次革命后一个很重要的发现,就是也许弦也不是最基本的东西,膜才是更基本的东西。

周哲:一维的弦,二维的膜,三维的方块,这些都有可能成为宇宙中最基本的结构。

5 什么是十一维空间?

被藏起来的高维空间

夏笳:说到高维的空间,大家一般接触到的可能就是四维空间,还有《星际穿越》里说到的五维空间。

弦理论里有九维、十维甚至十一维,包括刚才说到的三十二维空间,为什么我们日常无法感受到这些高维空间?多出来的维度是以什么样的形式存在的?

黄庆国:它被藏起来了。比如一根绳子,在我们看来是一个一维的东西,如果上面爬着一只蚂蚁,它就能感觉到这根绳的粗细,这就是一个新的维度。在我们看来是一维的东西,蚂蚁看到的就是二维的。

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这些多余的维度,我们让它变得很小,使得我们感觉不到它,还有另一种可能性,超弦理论是在九维空间加一维时间的时空中存在的理论,而现实生活中我们能感受到的时空维度有多少?是一个时间的维度,加上三个空间的维度,我们还多了六个空间的维度。当物理学家试图寻找这样的时空结构时,他们发现数学家在几年前已经找到了,这个时空就是卡拉比-丘流形。我们无法把它画出来,因为它是一个六维的空间,我们不能把它展现在二维的平面上。

夏笳:关于M理论有一个梗,美剧《生活大爆炸》的主人公谢尔顿,说他研究的就是M理论,外行才叫弦理论。实际上,谢尔顿的意思是说他做的是升级版的,或者是经过威腾统一之后的弦理论。

黄庆国:尽管我们仍然称之为弦理论,但弦可能并不是最基本的东西,里面已经引入了一个膜的概念,也可以理解为弦起源于膜。所以从这个意义上来说,经过弦理论几十年的发展,到今天,我们认为膜可能才是更基本的东西。

周哲:弦理论只是个开端,将来还可能会走得很远。弦理论最早是玻色弦理论,或者它只能描述玻色子,第一次超弦革命,弦理论看起来是可以描述玻色子的,但是不能把费米子包括进来。用三十二维的方式,还有引入格拉斯曼数,就是要它的“反对易性”,实际上就是超对称性,只有通过超对称性才能把费米子引入到弦理论中。

夏笳:这是在第一次革命的过程中所解决的问题吗?

周哲:这是在第一次革命之前,超弦理论诞生出了五个版本,后来威腾的工作就是发现背后有一个理论能够把它们统一。但是弦理论之后的走向,就有点像科幻中经常有的桥段,比如看到一头大象,就会想到它会不会是动物园里的一部分。

夏笳:在大众的科普里,经常会讲到大统一理论,或者叫万物理论,就是用一套具有最强阐释力的理论,解释所有粒子的相互作用力、物理结构、物理模型等。在这个过程中,弦理论数次扮演了非常重要的角色。

黄庆国:至少目前为止,我们发现弦理论是最有希望成功的万物至理,我们称之为TOE(Theory of Everything)。

6 弦理论可以被验证吗?

验证方法有哪些?

夏笳:我们刚才大概回顾了一下弦理论发展的历程,它经历数次理论革命后变成了现在的状态。但是在这个过程中,理论物理学家的工作是在数学模型或一种猜想的工作里。所以目前为止,弦理论是可以被验证的吗?在验证上有什么样的难点?

周哲:当然可以验证,不过确实很难,弦的尺度太小了,但是可以通过其他途径验证,比如弦理论预言了一些粒子的存在,弦理论中有超空间,超空间具有超对称性,超对称性的一个直接结论就是相现有的所有费米子和玻色子,它们都要有一个和自己对称出来的伴子。比如现在所有费米子都要有自己的玻色伴子,玻色子要有自己的费米子伴子。

按照现在的基本模型,基本粒子一共是61个,到2012年,CERN的LHC大型强子对撞机,发现了最后一个就是希格斯玻色子,标准模型已经很完善了,所有的粒子都已经被发现了,LHC的能量也已经是现在人类能够达到的最高量级了。可是现在所有粒子的数量相当于要翻一倍,它们都要有自己的超对称伴子,但目前为止,这些粒子都没有被发现。

如果发现了,至少能证明超对称理论是正确的,我们就有理由相信超弦理论也是正确的,所以这相当于是一个间接的证明。最直接的就是要看弦,但弦是看不到的。当然还有别的办法,现在一些宇宙学家打算通过21厘米氢线去找宇宙初期的宇宙弦,如果能够找到宇宙弦,也相当于是一个证明。

黄庆国:大家都认为弦理论没有什么实验的证据,但是换一个角度来说,自然界中应该存在费米子,我们在超弦理论中一定要引入超对称,那么超对称就意味着我们除了这些基本粒子以外,还应该有这么多超对称伴子。尽管这些超对称伴子都还没有被发现,但是我们不是已经发现它一半的粒子了吗?

我们已经发现了一半,只是想去找另外一半而已。那么我们怎么去找弦呢?弦可能很小,我们可以建造一个显微镜,而现在能够建造的最好的显微镜是大型的粒子物理加速器。

但是目前为止,我们用最好的加速器还没有找到这样的弦。另一个就是我们可以在天上找这根弦,我们可以从微波背景辐射来看弦移动,它的左边和右边看到的现象是不一样的,但现在我们还没有找到这样的现象。

还有一个办法,宇宙弦会振动,振动时就会发出引力波,它发出来的引力波和黑洞碰撞出来的引力波是不一样的。所以我们还可以利用引力波去找这根弦。

大家总是在说没有找到弦理论的证据,其实在我看来,我们已经有很多证据了,这个证据是什么?就是万有引力。为什么弦理论和万有引力有关系?因为弦有开弦,有闭弦。开弦对应的是物质,一个只有开弦的理论不是自洽的弦理论,因为开弦总可以打个结,变成一个闭弦,而闭弦传递的前后作用就是万有引力。它跟我们的逻辑是一样的,只要有物质、有开弦,就一定有闭弦,有闭弦就一定产生引力,而万有引力已经被我们证明存在了。

实际上,为了描述基本粒子之间的相互作用力,我们原则上都可以不要弦理论,有量子场论就足够了。为什么我们要弦理论?因为弦理论中自然的包含第四种基本相互作用力,也就是引力相互作用力。

这也是为什么上个世纪70年代弦理论被提出来以后,大家对弦理论产生很浓厚的兴趣的一个重要原因,它可以把自然界中最弱的一种相互作用都包含进来。所以,在弦理论中就包含有目前为止我们所了解到的所有要素,这就是我们把它称为TOE的原因。

夏笳:验证弦理论,有一个方法就是用大型的粒子对撞机,可以在这里面捕捉到它的结构。大家比较常听说的就是关于LHC大型强子对撞机,实际上这个对撞机目前还没有做出能够验证弦理论的发现。

我听说美国有一个SSC计划(超导超级对称对撞机),是要建一个更大的对撞机,它大概是多大的规模?

黄庆国:它的规模应该跟LHC差不多。

周哲:其实他们最早也是奔着希格斯玻色子去的,因为又追加了很多预算,在已经花了20亿美元的基础上,又要增加100多亿美元,预算扛不起了,整个项目就放弃了。

夏笳:验证理论物理时需要建实验仪器,这可能是一个巨额投入,运行一次要花很多钱,但是,最后能够得到的结论是否可以有实际的应用?有人会质疑,花了这么多钱建仪器,到底为了什么?这个问题在科普的过程中,应该也有人问。

周哲:每个人的角度不同,比如建对撞机,投进去的是真金白银,产出的是知识成果,是一种价值,对撞机不可能撞出现金。

怎样衡量产出的东西值多大的价值,每个人的感受是不一样的。

夏笳:比如在《三体》中,他认为这种基础理论研究投入非常大,但是它是整个科学研究最底层的,或者说最后、最核心的推动力,如果不去研究和投入,可能其他研究无法取得决定性的进展。

周哲:比如我们真的碰撞出超对称的粒子,这当然是无价的,无法用金钱去衡量。问题是,我们不知道哪一次,什么样的能级能把它碰出来,所以衡量起来比较复杂。

黄庆国:我们做研究的,不仅局限于对撞机。做科学研究不是开公司,所以不会去算性价比,就像当年法拉第发现电磁感应现象时,有人问他这东西有什么用,法拉第的回答是没有什么用。但是,如果我们对电磁理论没有了解,就无法想象我们现在的生活是什么样子。

所以,我认为科学并不是简单用金钱来衡量的。

周哲:科学家本身的想法肯定是这样的,但是终归要有一些部门考虑钱的问题。

7 什么样的人在做弦理论研究?

夏笳:了解到这些进展后,我们现在也无法保障在20年、30年之后,它就一定能够给我们带来一个实际的产品,但是至少我们会看到,它的前景是非常令人期待的。

听说研究学理论的人数在全国乃至全世界都非常少,大概是多少量级的人?

黄庆国:目前,全世界比较活跃的可能有几百人。其实这不少了,想当年,施瓦茨一个人就带来了弦理论的第一次革命。所以,人在精而不在多。

夏笳:我之前在网上看到一个国外的大学教授,他写了一篇文章,解释读PHD的意义。他画了一个图说,如果把人类所有的知识都放在一个圈里,我们日常生活需要用到的知识在这个圈很核心的部位,都是无数代人积淀下来的很稳固的知识。

但是当你再去读书,读硕士、博士时,你是为了通过知识的积累逐渐朝圆圈的边缘挺进,最后抵达了圆圈的边缘,你要做的是跟边界死磕,通过非常孤独、艰难的努力,把圈的边缘磕出一个很小的坑。在外界看来,坑可能在圆圈的圆周上只占了微不足道的面积,但它对于人类的知识来说,就是一小步,也是一大步。理论物理特别能够体现这种所谓的跨越边疆边缘性,因为所问的很多问题都是之前没有人能够去问的,或者说没有人能够回答的。

周哲:终究还是为了传承某种东西。

黄庆国:做科研的,面对的永远是黑暗,我们把光明留给了别人。因为我们总是去发现新的东西,我们面对的都是未知和黑暗。

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