張朝陽對話頂尖物理學(xué)家Cumrun Vafa：談時空觀、量子理論與弦理論

7月17日，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼首席執(zhí)行官、物理學(xué)博士張朝陽和美國哈佛大學(xué)教授、物理系系主任，美國國家科學(xué)院院士，狄拉克獎與基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎獲得者Cumrun Vafa（庫姆倫·瓦法）展開了一場長達2小時的高精尖物理知識對談。兩位麻省理工學(xué)院物理系校友從量子力學(xué)的歷史與困境，聊到當(dāng)今物理學(xué)最前沿的超弦理論和神秘的高維時空，還探討了物理與數(shù)學(xué)實驗如何跨領(lǐng)域交融等話題。

瓦法教授是當(dāng)代理論物理學(xué)界最享有盛譽的學(xué)者之一，其在弦理論方面的開創(chuàng)性工作聞名世界。他與合作者共同推動了“對偶理論”的發(fā)展，重塑了我們對宇宙基本定律的理解。作為弦理論中“F理論”和“沼澤地綱領(lǐng)”的創(chuàng)始人，瓦法教授在對談中與張朝陽分享了關(guān)于量子引力的最新研究，帶領(lǐng)觀眾一起直面前沿科學(xué)思想與科學(xué)成果。

談時空變革：相對論讓物理學(xué)邁出了一大步

對談一開始，瓦法教授提到，“伽利略是一個天才，他通過直覺與實驗的結(jié)合，提出了慣性定律，被認(rèn)為是物理學(xué)的開端。”自此之后，牛頓力學(xué)的三大定律和麥克斯韋電磁效應(yīng)方程組都是通過經(jīng)驗、觀測和總結(jié)來理解自然與時空的。

轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在麥克斯韋發(fā)現(xiàn)這些方程之間并不自洽時。為了解決問題，他添加了現(xiàn)在稱之為“麥克斯韋項”的一項。張朝陽表示，正是這一項帶來了從絕對時空觀到相對時空觀的轉(zhuǎn)變，麥克斯韋在這一項中引入了一個常數(shù)，恰好是測量到的光速，而光速是速度的極限，是宇宙中最快的速度。

由于經(jīng)典波動力學(xué)需要通過介質(zhì)傳播，麥克斯韋及其后數(shù)代物理學(xué)家深陷于以太的迷霧中。到19世紀(jì)末，洛倫茲發(fā)現(xiàn)伽利略的物理原理并不適用于電磁理論，并提出了恰當(dāng)?shù)男拚?。隨后，愛因斯坦意識到光速對所有勻速運動的人來說都是一樣的，時間和空間是可以相互轉(zhuǎn)換的，于是我們進入了狹義相對論的時代。

“為什么我們非得是勻速運動呢？”“當(dāng)然還得有加速度。”瓦法教授和張朝陽表示，愛因斯坦往前多邁了一步，帶來了廣義相對論。他想到了有加速度的參考系，想到了等效原理（描述力作用效果的慣性質(zhì)量等于決定物體受引力強弱的引力質(zhì)量），張朝陽補充道，“這兩個方向殊途同歸，讓愛因斯坦洞察到了引力的本質(zhì)——時空的彎曲。”

瓦法教授認(rèn)為，廣義相對論不僅革新了時空觀，還革新了物理學(xué)的方法論。自廣義相對論問世以來，物理學(xué)家們意識到物理理論可以是幾何理論。以前，物理學(xué)主要是受力分析和解方程，誰能想到數(shù)學(xué)課本上的全等、相似、旋轉(zhuǎn)等幾何概念也是物理學(xué)的重要基礎(chǔ)呢？“這是愛因斯坦對物理學(xué)最大的貢獻，使物理學(xué)邁出了一大步。”瓦法教授總結(jié)道。

談量子特性：當(dāng)下是所有可能的總和

20世紀(jì)最震撼人心的物理學(xué)理論莫過于量子力學(xué)。如果相對論告訴我們生活在一個被壓彎的“彈簧床”上，量子力學(xué)則解釋了為什么我們是穩(wěn)定的，為什么今天的我和明天的我是同一個人。張朝陽說，沒有量子力學(xué)，世界就是一堆灰。

那么，量子力學(xué)究竟是什么？張朝陽解釋，當(dāng)你有一個束縛態(tài)時，你有整數(shù)級別的能量級別，這就是量子。量子力學(xué)的另一個特征是疊加原理，正如雙縫干涉實驗所揭示的，一個微觀粒子的運動是它所有可能走過的路徑的總和。

量子力學(xué)解析了氫原子，也解析了化學(xué)鍵。對話中，張朝陽稱化學(xué)鍵是奧本海默的杰作，他將重的質(zhì)子和輕的電子分成兩部分來計算，對質(zhì)子來說，快速運動的電子提供了一個黏合作用。

這種方法被稱為有效理論。觀察設(shè)備總有最大分辨率，比如飛馳的汽車在長快門相機中只是一片模糊的陰影，肉眼能看見手掌卻看不見細(xì)胞。在限定分辨率后，只有相應(yīng)尺度的對象是重要的，小尺度部分會在疊加時被抹勻平均，僅表現(xiàn)為對大尺度部分的某種影響。張朝陽形象地稱其為“放縮效應(yīng)”，而瓦法教授更喜歡用“背景”來形容被平均的小尺度部分，這是物理學(xué)的基本原理之一。

談超弦理論：當(dāng)量子遇上引力時空有了更多可能

遇事不決，量子力學(xué)。面對引力和時空，量子力學(xué)真的無計可施了嗎？瓦法教授認(rèn)為，弦理論是一種可靠的量子引力理論。

弦理論第一次廣為人知，是因為美劇《生活大爆炸》中主人公謝耳朵（Sheldon）對其無休止的夸贊，現(xiàn)實中的瓦法教授便是當(dāng)代首屈一指的弦理論物理學(xué)家。他介紹，弦理論的核心觀點是點粒子不僅僅是點狀物體，而可能是一維的弦，甚至是膜，或者更高維度的物體。這些物體的振動模式，對應(yīng)了電子、光子、引力子等不同的微觀粒子。

正如瓦法教授等弦理論學(xué)者的觀念，世界不僅只有四個維度（時間和空間），空間的維度可能超過三維。額外的維度通過幾何方法表達其他相互作用。例如，可以通過引入一個額外的圓（第五維）來統(tǒng)一電力和磁力與引力，此時電荷變成了動量，這便是卡魯扎-克萊因理論。

在具有超對稱性的弦論中，世界被確認(rèn)是有且只有十維的——一個時間的維度，三個可見的空間維度，和六個藏起來的額外維。如果不引入這些額外維，理論就不自洽了，瓦法教授解釋，這是數(shù)學(xué)或者幾何帶給我們的確定性結(jié)論，也是弦理論的優(yōu)雅所在。

談物理學(xué)習(xí)：數(shù)學(xué)是一種通用的語言

在學(xué)生提問環(huán)節(jié)，被問到好奇心和想象力在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的重要性，瓦法教授表示，科學(xué)的核心在于追求好奇心。他回憶起自己七八歲時，抬頭看天空時會思考“為什么月亮沒有掉到地上”，這種對答案的渴望驅(qū)使他開始探索物理學(xué)。他認(rèn)為，想象力比知識更重要，因為知識可以從書本中獲取，但想象力能夠推動你邁出下一步。

張朝陽補充道，有些知識是不加思考地吸收了，隨著好奇心減少，興奮度和創(chuàng)造力也會消失。他與瓦法教授分享了自己過去一年研習(xí)廣義相對論的心得，在他看來，雖然廣義相對論的數(shù)學(xué)相當(dāng)繁雜，但經(jīng)過在黑板上反復(fù)計算，你會得到相當(dāng)準(zhǔn)確可靠的光線偏轉(zhuǎn)角度和語言。瓦法教授對此表示認(rèn)同，數(shù)學(xué)會引導(dǎo)你并告訴你什么是物理的結(jié)果，而且數(shù)學(xué)在某種程度上比我們更聰明。

張朝陽進一步提到，薛定諤方程是一個非常好的例子，復(fù)數(shù)本來只是一個數(shù)學(xué)結(jié)果，但薛定諤接受并運用了它，得到了量子力學(xué)的基本方程。瓦法教授則以狄拉克方程對正電子的預(yù)言和對自旋的解釋為例，認(rèn)為數(shù)學(xué)的一致性推動了物理學(xué)，簡單的數(shù)學(xué)可能是極其深刻的物理學(xué)，很多物理學(xué)概念是從數(shù)學(xué)的簡單想法中理解的。在瓦法教授的科普書《解開宇宙之謎》中，他也遵循了這一理念，用幾個簡單的數(shù)學(xué)謎題，揭示了諸如“對稱性破缺”“最小作用量原理”等物理原則。

對談結(jié)束后，二人互贈書籍。張朝陽將《張朝陽的物理課》第一、二卷贈予了瓦法教授，他表示，“雖然這兩本是中文物理書，但數(shù)學(xué)是一種通用語言，相信您也能看懂其中表達。”