比光速還快

內(nèi)容概要

在科學(xué)的領(lǐng)域中，人們無(wú)止境地爭(zhēng)論，并表達(dá)出不同的意見(jiàn)?？茖W(xué)，無(wú)非就是試驗(yàn)新點(diǎn)子進(jìn)而接受或拒絕的一個(gè)過(guò)程。本書(shū)談的是一個(gè)知名科學(xué)家的VSL（光速改變理論）旅程，他要挑戰(zhàn)的對(duì)象是愛(ài)因斯坦，而那很有可能會(huì)讓一個(gè)物理學(xué)家丟掉飯碗。作者自信能夠傳達(dá)的一種感覺(jué)是：學(xué)科學(xué) 不僅是有趣，更能夠豐富你人生經(jīng)驗(yàn)，正因如此，VSL的故事可能比一般人所想象的還要精彩而生動(dòng)，本書(shū)適合任何想一窺當(dāng)代宇宙學(xué)發(fā)展?fàn)顩r，想知識(shí)科學(xué)家是怎樣提出、發(fā)展、完成他們想法的讀者，甚至是想進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的年輕學(xué)子比起一般的科普書(shū)，本書(shū)披露了更多的私密細(xì)節(jié)，它傳達(dá)了一個(gè)年輕科學(xué)家解讀宇宙真實(shí)本質(zhì)的不凡企圖，以及為了捍衛(wèi)理念所做的種種奮斗。盡管科學(xué)家之間分分合合，但科學(xué)本身還是這個(gè)不太純凈的世界所能提供的最純凈的東西。

作者簡(jiǎn)介

喬奧·馬古悠，劍橋大學(xué)理論物理學(xué)博士，曾榮獲知名的劍橋圣約翰學(xué)院研究獎(jiǎng)學(xué)金，并任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)研究員，現(xiàn)為英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院理論物理學(xué)教授，曾擔(dān)任析克來(lái)加州大學(xué)以及普林斯頓大學(xué)的訪問(wèn)學(xué)者。

書(shū)籍目錄

第一篇  C的故事  1 蠢極了  2 愛(ài)因斯坦的奶牛夢(mèng)  3 重力的問(wèn)題  4 愛(ài)因斯坦的最大錯(cuò)誤  5 人面獅身宇宙  6 服興奮藥的上帝第二篇  光年  7 一個(gè)潮濕的冬天早晨  8 果阿的夜晚  9 中年危機(jī)  10 古騰堡戰(zhàn)役  11 后續(xù)發(fā)展  12 高空癥尾聲：比光還快致謝

章節(jié)摘錄

　　我是專業(yè)的理論物理學(xué)家，從各方面來(lái)看，我是一個(gè)信譽(yù)卓著的學(xué)者：劍橋研究所博士、獲得知名的劍橋圣約翰學(xué)院研究獎(jiǎng)學(xué)金(狄拉克與沙蘭姆先前也得過(guò)此獎(jiǎng)學(xué)金)，然后成為皇家學(xué)會(huì)研究員，現(xiàn)在我已是帝國(guó)學(xué)院的講師(相當(dāng)于美國(guó)的終身教授)?！　∥抑苯狱c(diǎn)明這些東西，不是想要吹牛，而是因?yàn)楸緯?shū)要談?wù)摌O具爭(zhēng)議性的科學(xué)猜測(cè)?？茖W(xué)上很少有東西像愛(ài)因斯坦的相對(duì)論一樣屹立不倒，而我正是想要挑戰(zhàn)相對(duì)論，講夸張一點(diǎn)，這簡(jiǎn)直就是物理學(xué)家自斷生路。例如有一家知名的大眾科學(xué)報(bào)刊，便以“異端邪說(shuō)”來(lái)為此下標(biāo)題，這不令人意外?！　　安聹y(cè)”(speculation)這個(gè)詞，常常被人們用來(lái)指稱自己不相信的想法，因此有人可能會(huì)以為“猜測(cè)”在科學(xué)上沒(méi)有作用，事實(shí)上正好相反。在理論物理當(dāng)中，尤其是我所專精的宇宙學(xué)領(lǐng)域，我與同事天天都在尋找現(xiàn)有理論的漏洞，思索并猜測(cè)替代理論，希望新理論更能夠解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們的工作便是懷疑先前所有的理論，并提出瘋狂的新理論。然后互相爭(zhēng)辯不休?！　?990年我進(jìn)入劍橋大學(xué)念研究生時(shí)，首度接觸到這個(gè)傳統(tǒng)。我立刻發(fā)現(xiàn)，作為理論科學(xué)家時(shí)時(shí)需要和同行進(jìn)行互動(dòng)，可以說(shuō)同事代替了實(shí)驗(yàn)的地位。劍橋大學(xué)每周都會(huì)召開(kāi)非正式會(huì)議，我們會(huì)爭(zhēng)議盤踞中心的想法。此外，也有所謂的英國(guó)巡回宇宙學(xué)會(huì)議，來(lái)自劍橋、倫敦、索塞克斯的人齊聚一堂，討論苦思不解的問(wèn)題。就算在平日工作里，我和另外五個(gè)人共一間辦公室，我們永遠(yuǎn)沒(méi)有共識(shí)，經(jīng)常彼此大吼大叫?！　≡谶@些場(chǎng)合里，有時(shí)候我們進(jìn)行一般討論，聊聊放到網(wǎng)站上的最新論文。有時(shí)候則在房間里來(lái)回踱步，不去討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)學(xué)計(jì)算或計(jì)算機(jī)模擬等衍生想法，而是天馬行空地猜測(cè)。換句話說(shuō)，我們不講根據(jù)先前實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的點(diǎn)子，而是討論從我們這些充滿廣泛理論物理知識(shí)的腦袋里所冒出來(lái)的點(diǎn)子。　　做上述這些事情是很有意思的。有時(shí)候你終于說(shuō)服周圍的人同意你的想法之后，卻又突然拍拍自己的腦袋，想到論證中有個(gè)令人尷尬的簡(jiǎn)單漏洞，也就是說(shuō)，過(guò)去一個(gè)小時(shí)中你一直誤導(dǎo)別人!不過(guò)，當(dāng)然你也可能會(huì)被同事的錯(cuò)誤猜想而搞得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)?！　∞q論的傳統(tǒng)對(duì)于研究生新生造成很大的壓力，甚至有點(diǎn)震撼。尤其是有時(shí)候辯論到一半時(shí)，發(fā)現(xiàn)有人比你在行得多，使你無(wú)法全身而退。在劍橋大學(xué)的終身學(xué)者中，可是一點(diǎn)也不缺聰明又愛(ài)表現(xiàn)的人，他們不但樂(lè)于證明你錯(cuò)了，還會(huì)讓你知道自己犯下一個(gè)多么顯而易見(jiàn)的錯(cuò)誤，因?yàn)椤皠虼髮W(xué)任何一個(gè)一年級(jí)普通新生都容易看出這是錯(cuò)的”。這些經(jīng)驗(yàn)使我泄氣，不過(guò)我并沒(méi)有放棄。相反的，這使我更加充滿斗志。你會(huì)覺(jué)得，唯有想出全　新的點(diǎn)子，才能在這個(gè)群體中掙得一席之地?！　≡谶@些聚會(huì)中，常常出現(xiàn)的討論主題便是“暴脹”。暴脹理　論是當(dāng)前宇宙學(xué)最流行的想法之一，而宇宙學(xué)屬于物理學(xué)分支，　試圖回答“宇宙從哪里來(lái)?物質(zhì)是怎么誕生的?世界將如何結(jié)　束?”等深?yuàn)W問(wèn)題，這些課題一向?qū)儆谧诮?、神話、哲學(xué)等范疇，現(xiàn)在科學(xué)以大爆炸理論來(lái)回答這些問(wèn)題。在該理論中，擴(kuò)張中的　宇宙起源于一次巨大的爆炸?！　”┟浝碚撌敲绹?guó)麻省理工學(xué)院的杰出物理學(xué)家愛(ài)倫·古斯(Alan Guth)提出的，隨后被許多科學(xué)家修正。暴脹說(shuō)的提出，是對(duì)于所謂“宇宙學(xué)問(wèn)題”的響應(yīng)。雖然幾乎所有宇宙學(xué)家都已經(jīng)接受宇宙起源于大爆炸，不過(guò)現(xiàn)有的大爆炸理論卻無(wú)法解釋一些宇宙的性質(zhì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這些問(wèn)題與大爆炸是個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程有關(guān)，要產(chǎn)生現(xiàn)在我們看到的世界，宇宙的初始狀態(tài)必須經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)。只要與這個(gè)初始狀態(tài)有些微誤差，便會(huì)立即造成災(zāi)難(例如，夭折的宇宙)。這個(gè)非常不可能的初始值必須強(qiáng)行放入理論中，而無(wú)法以具體物理過(guò)程推算出。宇宙學(xué)家對(duì)于這種狀態(tài)很不滿意?！　”┟浝碚撜J(rèn)為“嬰兒宇宙”歷經(jīng)一個(gè)難以想像的快速膨脹　期，使其尺度“暴脹”。這不但是宇宙學(xué)問(wèn)題的現(xiàn)有最佳解答，　而且還一并解釋了其他觀測(cè)現(xiàn)象。很有理由相信這就是正確答　案，不過(guò)至今仍然沒(méi)有確切的證明。根據(jù)最嚴(yán)格的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，這　說(shuō)明暴脹理論仍然只是猜測(cè)?！　≡S多科學(xué)家對(duì)暴脹理論非常熱衷，不過(guò)英國(guó)理論家們從來(lái)不相信暴脹理論是正確答案。你可以說(shuō)這是大英沙文主義作祟(畢竟，這是美國(guó)人提出來(lái)的理論)，稱這冥頑不靈也罷，也可以說(shuō)這才是科學(xué)精神。不論如何，只要坐在此間的宇宙學(xué)會(huì)議中，難免都會(huì)提到暴脹理論，而討論主流肯定是大伙兒相信暴脹理論并未解決的一些重要的宇宙學(xué)問(wèn)題。　　一開(kāi)始，我沒(méi)有仔細(xì)去思考暴脹理論。因?yàn)槲业膶I(yè)在另一個(gè)領(lǐng)域：解釋星系等結(jié)構(gòu)起源的拓?fù)淙毕堇碚?。在解釋結(jié)構(gòu)起源方面，缺陷的理論與暴脹理論還可一較長(zhǎng)短，不過(guò)缺陷理論無(wú)法解釋宇宙的問(wèn)題。而在這里，我一而再、再而三聽(tīng)到暴脹理論的壞話，說(shuō)它完全沒(méi)有粒子物理根據(jù)，說(shuō)它的成功不過(guò)是美國(guó)人太會(huì)宣傳。于是人性使我開(kāi)始尋求新的解釋?！　〔皇菍＜业娜?，可能很難理解暴脹理論怎么解決宇宙學(xué)問(wèn)題。更難理解的是，為何不使用暴脹理論就很難解決這些問(wèn)題。然而，對(duì)訓(xùn)練有素的宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)，暴脹似乎無(wú)法避免，因?yàn)橄惹霸囘^(guò)的其他理論都紛紛宣告失敗，可以說(shuō)暴脹理論因?yàn)閷?duì)手的棄權(quán)而獲勝。多年以來(lái)，我都在心底隱約地想，是否有其他理論——什么理論都好，能夠解釋宇宙學(xué)問(wèn)題?　　在我到圣約翰學(xué)院當(dāng)研究員第二年(我在劍橋的第六年)的某一天，答案似乎從天上掉下來(lái)。那天早晨陰雨晦暗，正是典型的英國(guó)天氣。我走過(guò)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，試圖從前晚熬夜中清醒，突然間我明白了：如果打破一項(xiàng)神圣的物理法則，那么不需暴脹便可以解決宇宙學(xué)問(wèn)題。這個(gè)想法很簡(jiǎn)潔漂亮，比暴脹論還簡(jiǎn)單。不過(guò)我立刻覺(jué)得不自在，不愿馬上提出這個(gè)新解釋。對(duì)正規(guī)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)點(diǎn)子近乎瘋狂，因?yàn)樘魬?zhàn)的是現(xiàn)代物理學(xué)最基本的定理：光速恒常。　　每個(gè)學(xué)童都知道在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中，真空中的光速維持恒定。不論周遭狀況如何，真空中的光線以定速前進(jìn)。物理學(xué)家以符號(hào)f代表這個(gè)常數(shù)：每秒300 000干米。光速是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是宇宙學(xué)理論的要素：宇宙中所有事物都用光速做丈量?！　?887年，美國(guó)科學(xué)家邁克耳孫與莫雷(Michelson&Morley)進(jìn)行科學(xué)史上最重要的實(shí)驗(yàn)之一，證明了光速不受地球運(yùn)動(dòng)的影響。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使當(dāng)時(shí)的人們非常困擾，因?yàn)檫@違背了常識(shí)中的速度加成法則：從飛機(jī)上發(fā)射的導(dǎo)彈，比從地面發(fā)射的導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度更快，因?yàn)轱w機(jī)本身的速度增加了導(dǎo)彈的速度。如果我在行駛中的火車?yán)锵蚯皝G東西，該物體相對(duì)月臺(tái)的速度將是該物體相對(duì)我的速度加上火車的速度。你或許會(huì)認(rèn)為，同樣的法則對(duì)光線也適用，亦即從火車上發(fā)出來(lái)的光應(yīng)該行進(jìn)得較快。不過(guò)，邁克耳孫與莫雷的實(shí)驗(yàn)推翻這種想法，他們發(fā)現(xiàn)光總是頑固地以相同速度前進(jìn)。這代表著，如果我打開(kāi)一束光，要幾個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的觀測(cè)者測(cè)量這束光的速度，他們都會(huì)得到一樣的結(jié)果。　　愛(ài)因斯坦1905年提出狹義相對(duì)論，對(duì)這個(gè)驚人實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解答。愛(ài)因斯坦知道如果光速不變，就得放棄時(shí)間空間普適恒常的概念。這完全違背直覺(jué)，令人感到錯(cuò)亂。在日常生活中，時(shí)間與空間顯得十分堅(jiān)定恒常，而愛(ài)因斯坦卻將時(shí)間與空間看做“時(shí)空”，認(rèn)為它會(huì)依據(jù)觀測(cè)者與被觀測(cè)物之間相對(duì)速度的不同，而改變、彎曲、膨脹、縮短；宇宙中唯一不變的就是光速。　　自此之后，光速恒定就被人們納入物理架構(gòu)中，決定了物理方程式的寫法，甚至符號(hào)的選擇?，F(xiàn)在要“改變”光速，不但大逆不道，更是根本不存在于物理學(xué)的詞匯當(dāng)中。無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)基本概念，相對(duì)論成為人們了解宇宙的中心思想。不過(guò)，我的理論正是“光速改變”理論。

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　　在宇宙學(xué)領(lǐng)域里，每當(dāng)有一個(gè)新點(diǎn)子提出，這些點(diǎn)子便是——猜測(cè)，猜測(cè)是大家常做的事，也在理論物理學(xué)發(fā)展中占了重要的地位，然后大家就會(huì)開(kāi)始想索、懷疑、質(zhì)問(wèn)并產(chǎn)生新的猜測(cè)，希望新理論更能夠解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？茖W(xué)家工作便是懷疑先前所有理論、并提出瘋狂的新理論，然后互相爭(zhēng)辯不休。　　現(xiàn)在要“改變”光速，不但大逆不道，更是根本不存在于物理學(xué)的詞匯當(dāng)中無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)基本概念，相對(duì)論成為人們了解宇宙的中心思相。馬古悠遠(yuǎn)的“光速改變”（VSL：varying speed of light）理論是：光速在早期宇宙比現(xiàn)在快，這么假設(shè)的話，至少部分宇宙學(xué)問(wèn)題不需要暴脹理論就可以解釋。想法很簡(jiǎn)潔漂亮，但一想到這個(gè)點(diǎn)子，馬古悠立刻感到不自在，因?yàn)檫@必須推翻近代物理學(xué)中所有因相對(duì)論而建立的物理世界。事實(shí)上，在光速改變理論中，宇宙學(xué)問(wèn)題的解決似乎無(wú)可避免，從一方面看來(lái)，宇宙學(xué)之謎幾乎就是告訴我們光在以前行進(jìn)得較快，而最基本的物理似乎必須建構(gòu)在比相對(duì)論更寬廣的結(jié)構(gòu)上。

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