互动科普

布莱恩·格林博士既是活跃在超弦理论领域中的研究者，也是把这个理论面向大众通俗讲解的第一人。有关超弦理论的著作《优雅的宇宙》（The Elegant Universe，中译本为《宇宙的琴弦》），是在全世界销量超过100万册的畅销书。作为超弦理论的“传教士”，格林博士将给我们讲解这个理论的内容与魅力。

布莱恩·格林 （Brain Greene）

美国NASA艾姆斯研究中心开普勒任务项目经理。哥伦比亚大学数学物理教授。美国哈佛大学毕业，英国牛津大学博士。研究领域为超弦理论。其著作有《优雅的宇宙》、《宇宙的结构》、《隐藏的实在》。

Newton：您的的著作The Elegant Universe（《优雅的宇宙》）成功地向人们传达了超弦理论的魅力，书名是基于怎样的考虑？宇宙中的哪一点让您认为是“elegant”（优雅之意)？

格林：在过去的几百年间，我们对于宇宙的理解不断地加深。从斜面上的小球滚落，到彗星在太阳系内的飞行，所有的现象都能够用极其单纯的数学方式进行描述。

单纯这个词也许有些语病，不过基于这样的方程就能说明多种多样的现象，把所有这些纷繁复杂的现象单纯地简化成数学方程式，这就是优雅所在。

在《优雅的宇宙》中，说的是走得比已经确立了的量子论和广义相对论更远、更新锐的“超弦理论”。假如这个理论是正确的话，宇宙学将会有飞跃性的进步，引力、电磁力、弱力和强力都将统一在一个相对简单的框架中，而这个力又能用几个简单的方程来表述。假如能够证明这些是正确的话，应该说是非常的优雅吧。

为了理解宇宙的本质，超弦理论是必要的

Newton：“超弦理论能够成为统一量子论和广义相对论的理论”，为什么物理学家们想要统一这两个理论呢？

格林：也有人主张，广义相对论适用的对象就应该是恒星、星系等这样大的对象，量子论适用的是分子、原子、基本粒子等小的领域。实际上，也是这么用的。很多的物理学家也是使用各自部分的理论，而不抱有疑问。

想要深入地理解宇宙的结构，就不能不结合使用量子论和广义相对论这两个方面。

Newton：具体来说，必须结合使用这两者的领域是什么？

格林：比如说黑洞的内部，极大的质量压缩在极小的尺度里。处理非常小的尺度的问题需要量子论，这时，用于处理引力的广义相对论就必须和量子论结合起来。

同样地，宇宙诞生的瞬间虽然还有很多不清楚的地方，但是我们可以想象，那一定是处在巨大质量的环境中。现在可观测的全部宇宙压缩在极小的尺度之内，处理小尺度的量子论和处理大质量的广义相对论，这时就必须结合使用。

如此一来，就会出现破绽，如果没有能够结合两者的理论的话，就不能真正理解宇宙的本质。正是因为这个原因，我们才要构造用一个框架就能处理的理论。

超弦理论完成后会迎来更令人兴奋的时代

Newton：现在超弦理论的研究中有什么需要攻克的课题呢？

格林：大的课题是要通过实验来验证或者反证，现在还没有导出任何具有决定意义的实验的预言。提出假说并以实验来检验，这是科学的基础，除此之外的检验方法并不存在。

但是，超弦理论是一个非常难用实验来验证的理论。为什么这么说呢？就是因为理论中涉及到的弦小得不得了。作为描述宇宙的理论，超弦理论是否正确，目前尚不明朗。

Newton：被形容为终极理论、万有理论的超弦理论完成之时，是否就意味着物理学达到了终点呢？

格林：假如说超弦理论真的被证实了，对于宇宙的探索确实具有划时代的意义。对于构成所有映入我们眼帘的物质的基本要素、以及构成宇宙全体的结构的探索，也确实就落下了帷幕。

但是，这就是科学的终点吗？物理学迎来了尾声了吗？不，并不是这样。

物理学家理查德·费曼（1918～1988）说过一句非常有名的话：“物理学就像存在着某种意义的象棋”。对于初学者来说，总是从记住下棋的规则开始的，了解了全部的规则就算是懂得这种棋了吗？当然不是，记住规则还只是刚刚开始。从此以后，灵活地运用规则，思考有趣的战略，制造各种挑战等，不是还有很多吗？

我们还是大自然和宇宙法则的学童。即便超弦理论符合自然的法则，也不意味着物理学已经完成，只能说，有意义的事情其实才刚刚开始。运用这些法则去试着理解宇宙从何而来，为什么这个世界不是“无”而是“有”，此后1000亿年的宇宙会怎样，等等。

我认为超弦理论被验证之后，探索就会进入到下一个阶段，一个更加令人兴奋的时代。

Newton：超弦理论完成了的话，就能揭开宇宙创生这个物理学上的最大谜团了吗？

格林：我一直投入超弦理论并保持有兴趣的原因，就是强烈地想知道人类长久以来的追问，也就是“宇宙从何而来，又是怎样开始”这样的问题。

超弦理论有可能对这些问题给出答案。比如，只有惟一的一个宇宙，所有的东西都是从中而来的；或者宇宙有很多，也并没有一个开端……这些可能性都是存在的，无论谁也想不到真正的答案。

Newton：对于这样的问题，人类迈出的可能解决问题的一步，其本身也是非常有意义的吧。

格林：在超弦理论诞生的很久之前，就有“当宇宙变得极小的时候会怎么样”这样的问题，在宇宙诞生的大爆炸时刻，其实就是这个问题。

但是，当宇宙变得非常小、并处于一种极端的高温、高密度的状态下的时候，就无法用数学来分析其中会发生什么。

根据超弦理论中的某些模型，宇宙是不断地缩小的，因为半径和弦的长度差不多，所以进一步的收缩将会引起非常有趣的事情。比如，宇宙尺度的进一步变小，就是物理上等价（没有差别）地把宇宙放大。这就是所谓“T对偶”。基于这种想法，即便退回到宇宙的诞生时刻，宇宙的尺度也不是零。

Newton：变小与变大是一回事……简直像是禅语一样不可思议。这才是思考宇宙诞生之谜的关键吧。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）