《扔一个苹果到宇宙边缘》探索宇宙的钥匙和窗户

时代华语国际
2018-03-28 12:07:35

编按:该文为《扔一个苹果到宇宙边缘》的作者前言。

在这个尚待发现的国度,准备凝视即将出现在地平线上的魔幻视界吧。

有关引力,你可能不知道的六件事:

1.在你和你口袋中的硬币之间,在你和街道上与你擦肩而过的行人之间,引力创造了一种吸引力。

2.这种吸引力非常弱。如果你伸出手来,整个地球的引力都不足以战胜你的肌肉的力量。

3.尽管很弱,但引力在宏观范围内是不可抗拒的,它控制着整个宇宙的进化和命运。

4.人人都认为它在吸引,但在宇宙的大部分地方它在排斥。

5.如果在宇宙大爆炸之后它没有“启动”,时间将在此后失去方向。

6.只有在理解了它之后,我们才能回答一切问题中最重要的那个:宇宙来自何方?

在路易斯安那州的利文斯顿(Livingston in Louisiana)和华盛顿州的汉福德(Hanford in Washington State),两地各有一把激光形成的4千米长的尺子。2015年9月14日,美国东部夏令时5时51分,位于利文斯顿的尺子首先发生了振动,而在6.9毫秒之后,位于汉福德的尺子也发生了振动。毋庸置疑,这是恰好经过的引力波的标志,是在时空本身的经纬上的一道涟漪。差不多刚好100年前,爱因斯坦预言了这一现象的存在。

在一个异常遥远的星系,当地球的尺寸不超过一个单一细菌那么大的时刻,两个超级黑洞互相纠缠着相互旋转,开始了它们一生中最后一次死亡盘旋。就在它们拥抱接吻成为一体的瞬间,相当于整整三个太阳系的质量消失了,但同时,又像扭曲时空的海啸一般重新出现,以光速向外喷射而出。在这一刹那间,它的功率达到了宇宙中所有恒星加在一起的功率的五十倍。

2015年9月14日,激光干涉引力波天文站(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)的双子探测器探测到了引力波,这是科学史上一个划时代的时刻。这就如同你从出生的那一刻起一直失聪,然后,突然有一天,一夜之间,你能够听到声音了。对于物理学家与天文学家来说,情况正是如此。有史以来,我们能够“看到”宇宙。而现在,我们终于能够“听到”它了。引力波就是太空的声音。如果说,引力波的检测是自1608年望远镜的发明以来天文学最重要的发展 ,这话并没有多少夸张的成分。

引力波证实,时空本身确实是一种“物质”,它能够振动与颤抖,向外传递波纹,形如池塘中扩散的涟漪。爱因斯坦认为,引力是扭曲的时空,这一实验最后证实了他的论点。尽管在牛顿的想象中,吸引之“力”来自太阳,如同看不见的橡皮筋那样网住了地球,但爱因斯坦认识到,在它自己的邻近区域内,太阳创造了一个时空的低谷,而地球则永无止歇地围绕这个低谷旋转,就好像一个行星大小的轮盘球在超大型的轮盘上运行一样。

尽管牛顿的引力理论取得了绝大的成功,解释了行星与大洋潮汐的运动,甚至预言了海王星这一未知世界的存在,但爱因斯坦的引力理论也同样成功。它解释了水星的反常运动,预言了黑洞的存在和宇宙从中诞生的大爆炸。但如同在它之前的牛顿引力理论一样,爱因斯坦的引力理论包含着让它自己毁灭的种子。它预言,在宇宙诞生的时刻和在黑洞的中心,都存在着无可索解的“奇点”,物理参数在那里飙升,直至无穷大。

这其中的讽刺意味是,引力是科学第一个描述的力,也是大家认为早被理解了的力,但实际上,它却是人们对之认识最浅薄的力。借用温斯顿·丘吉尔(Winston Churchill)的话来说:引力是“一个谜,存在于不可思议的事物之中,外面裹着层层神秘”。

现在,正当21世纪刚刚开始之际,我们面临着一场新的革命。人们正在寻找一个比爱因斯坦的理论更为深刻的理论:引力的量子理论。这是物理界有史以来展开的最大努力。人们已经遥望新世界,瞥见了几抹令人心痒难挠的风景。或许,另一个牛顿或者爱因斯坦正在一边跃跃欲试,正在用谜团一样的那些一块块互相勾连的积木搭成具有内在联系的整体。或者,另外一种更为可能的情况是,这份工作将需要数十成百人齐心协力。许多物理学家相信,有关真实的看法,我们现在正处于一场翻天覆地的变迁的前夜,这次变迁的后果的意义将远比以往任何一次都更深远。

这种理论比爱因斯坦的理论更为深刻,但它能让我们翘曲航行,制造时光机,从而操纵空间,进入平行宇宙吗?就像前电子时代的人们无法预言电视机、移动电话和万维网一样,没有任何人能够预言这一点。但我们能够确知的是,当我们最终掌握了这一难以捉摸的理论之后,我们将能够回答一切科学问题中最重大的几个:什么是空间?什么是时间?什么是宇宙?它来自何方?

但我不想一下子往前讲得太远。我们是如何走到了今天这一步,站到了物理学无垠处女地的边界线之前的呢?这个故事的第一个主角是时年23岁的艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。当时正是1666年,欧洲历史上的瘟疫之年……


作者注

读者可以在本书最后一章的后面找到一份尾注,我对此做出一点说明。尾注中有一些离题的话,如果放入正文,将使本书变得不那么流畅。有些则进一步地解释了正文的内容,有时使用了专业语言。还有一些则引用了书籍与论文,读者可以从中找到有关本书主题的更多信息。

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