张朝阳、Cumrun Vafa谈时空观：相对论让物理学迈出了一大步

来源：封面新闻

封面新闻记者 吴雨佳

7月17日，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳和美国哈佛大学教授、物理系系主任，美国国家科学院院士，狄拉克奖与基础物理学突破奖获得者Cumrun Vafa（库姆伦·瓦法）展开了一场长达2小时的高精尖物理知识对谈。两位麻省理工学院物理系校友从量子力学的历史与困境，聊到当今物理学最前沿的超弦理论和神秘的高维时空，还探讨了物理与数学实验如何跨领域交融等话题。

瓦法教授是当代理论物理学界最享有盛誉的学者之一，其在弦理论方面的开创性工作闻名世界。他与合作者共同推动了“对偶理论”的发展，重塑了我们对宇宙基本定律的理解。作为弦理论中“F理论”和“沼泽地纲领”的创始人，瓦法教授在对谈中与张朝阳分享了关于量子引力的最新研究，带领观众一起直面前沿科学思想与科学成果。

谈时空变革：相对论让物理学迈出了一大步

对谈一开始，瓦法教授提到，“伽利略是一个天才，他通过直觉与实验的结合，提出了惯性定律，被认为是物理学的开端。”自此之后，牛顿力学的三大定律和麦克斯韦电磁效应方程组都是通过经验、观测和总结来理解自然与时空的。

转折点出现在麦克斯韦发现这些方程之间并不自洽时。为了解决问题，他添加了现在称之为“麦克斯韦项”的一项。张朝阳表示，正是这一项带来了从绝对时空观到相对时空观的转变，麦克斯韦在这一项中引入了一个常数，恰好是测量到的光速，而光速是速度的极限，是宇宙中最快的速度。

由于经典波动力学需要通过介质传播，麦克斯韦及其后数代物理学家深陷于以太的迷雾中。到19世纪末，洛伦兹发现伽利略的物理原理并不适用于电磁理论，并提出了恰当的修正。随后，爱因斯坦意识到光速对所有匀速运动的人来说都是一样的，时间和空间是可以相互转换的，于是我们进入了狭义相对论的时代。

“为什么我们非得是匀速运动呢？”“当然还得有加速度。”瓦法教授和张朝阳表示，爱因斯坦往前多迈了一步，带来了广义相对论。他想到了有加速度的参考系，想到了等效原理（描述力作用效果的惯性质量等于决定物体受引力强弱的引力质量），张朝阳补充道，“这两个方向殊途同归，让爱因斯坦洞察到了引力的本质——时空的弯曲。”

瓦法教授认为，广义相对论不仅革新了时空观，还革新了物理学的方法论。自广义相对论问世以来，物理学家们意识到物理理论可以是几何理论。以前，物理学主要是受力分析和解方程，谁能想到数学课本上的全等、相似、旋转等几何概念也是物理学的重要基础呢？“这是爱因斯坦对物理学最大的贡献，使物理学迈出了一大步。”瓦法教授总结道。

谈量子特性：当下是所有可能的总和

20世纪最震撼人心的物理学理论莫过于量子力学。如果相对论告诉我们生活在一个被压弯的“弹簧床”上，量子力学则解释了为什么我们是稳定的，为什么今天的我和明天的我是同一个人。张朝阳说，没有量子力学，世界就是一堆灰。

那么，量子力学究竟是什么？张朝阳解释，当你有一个束缚态时，你有整数级别的能量级别，这就是量子。量子力学的另一个特征是叠加原理，正如双缝干涉实验所揭示的，一个微观粒子的运动是它所有可能走过的路径的总和。

量子力学解析了氢原子，也解析了化学键。对话中，张朝阳称化学键是奥本海默的杰作，他将重的质子和轻的电子分成两部分来计算，对质子来说，快速运动的电子提供了一个黏合作用。

这种方法被称为有效理论。观察设备总有最大分辨率，比如飞驰的汽车在长快门相机中只是一片模糊的阴影，肉眼能看见手掌却看不见细胞。在限定分辨率后，只有相应尺度的对象是重要的，小尺度部分会在叠加时被抹匀平均，仅表现为对大尺度部分的某种影响。张朝阳形象地称其为“放缩效应”，而瓦法教授更喜欢用“背景”来形容被平均的小尺度部分，这是物理学的基本原理之一。

谈超弦理论：当量子遇上引力时空有了更多可能

遇事不决，量子力学。面对引力和时空，量子力学真的无计可施了吗？瓦法教授认为，弦理论是一种可靠的量子引力理论。

弦理论第一次广为人知，是因为美剧《生活大爆炸》中主人公谢耳朵（Sheldon）对其无休止的夸赞，现实中的瓦法教授便是当代首屈一指的弦理论物理学家。他介绍，弦理论的核心观点是点粒子不仅仅是点状物体，而可能是一维的弦，甚至是膜，或者更高维度的物体。这些物体的振动模式，对应了电子、光子、引力子等不同的微观粒子。

正如瓦法教授等弦理论学者的观念，世界不仅只有四个维度（时间和空间），空间的维度可能超过三维。额外的维度通过几何方法表达其他相互作用。例如，可以通过引入一个额外的圆（第五维）来统一电力和磁力与引力，此时电荷变成了动量，这便是卡鲁扎-克莱因理论。

在具有超对称性的弦论中，世界被确认是有且只有十维的——一个时间的维度，三个可见的空间维度，和六个藏起来的额外维。如果不引入这些个额外维，理论就不自洽了，瓦法教授解释，这是数学或者几何带给我们的确定性结论，也是弦理论的优雅所在。

谈物理学习：数学是一种通用的语言

在学生提问环节，被问到好奇心和想象力在学术研究领域的重要性，瓦法教授表示，科学的核心在于追求好奇心。他回忆起自己七八岁时，抬头看天空时会思考“为什么月亮没有掉到地上”，这种对答案的渴望驱使他开始探索物理学。他认为，想象力比知识更重要，因为知识可以从书本中获取，但想象力能够推动你迈出下一步。

张朝阳补充道，有些知识是不加思考地吸收了，随着好奇心减少，兴奋度和创造力也会消失。他与瓦法教授分享了自己过去一年研习广义相对论的心得，在他看来，虽然广义相对论的数学相当繁杂，但经过在黑板上反复计算，你会得到相当准确可靠的光线偏转角度和语言。瓦法教授对此表示认同，数学会引导你并告诉你什么是物理的结果，而且数学在某种程度上比我们更聪明。

张朝阳进一步提到，薛定谔方程是一个非常好的例子，复数本来只是一个数学结果，但薛定谔接受并运用了它，得到了量子力学的基本方程。瓦法教授则以狄拉克方程对正电子的预言和对自旋的解释为例，认为数学的一致性推动了物理学，简单的数学可能是极其深刻的物理学，很多物理学概念是从数学的简单想法中理解的。