新人教版高二语文上学期一名物理学家的教育历程文学常识知识点

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⑴作者简介及主要作品

加来道雄，美籍日裔物理学家，毕业于美国哈佛大学，获加利福尼亚大学伯克利分校哲学博士学位，后任纽约市立大学城市学院理论物理学教授。主要著作有《超越爱因斯坦》(与特雷纳合著)、《量子场论》《超弦导论》。

⑵《超越时空》序言

科学革命，顾名思义，是向常识挑战。

如果我们关于宇宙的寻常观念都是正确的，那么科学早在数千年前就已揭开了宇宙的奥秘。科学的目标就是剥去客体的表层，揭示它们的内在本质。实际上，如果外表和本质是同一回事，那么科学也就没有存在的必要了。

对我们世界的认识，最牢固树立的常识性观念可能就是：世界是三维的。不言而喻，长、宽和高已经足以描述我们的可见宇宙中的所有物体。婴儿和动物实验已经证明，我们固有的观念--世界是三维的--可谓与生俱来。如果我们把时间作为另一维包含进来，那么四维足以记录宇宙中的所有事件。不管我们的仪器探测到哪里，从原子内部直到最遥远的星系团，我们所发现的都是这四维的踪迹。公开否认这种看法，即可能存在其他推度，或者我们的宇宙可能和其他宇宙共存，都会招致冷嘲热讽。对我们世界的这种根深蒂固的偏见，首先由2000年前古希腊哲学家作出推断。然而，它将服从于科学的进步。

本书涉及一场科学革命，这场科学革命由超空间理论所引发。超空间理论认为，有超越于人们普遍接受的四维时空的维度存在，宇宙可能确实存在于高维空间中。对此的认识，在世界范围的物理学家--包括好几位诺见尔奖得主--中正在扩大。如果这个理论被证明是正确的，它将会在我们对宇宙的认识上产生意义深远的哲学革命，用科学术语来讲，超空间理论是以卡鲁查一克莱因理论和超引力的名称出现的。但是它的最高级的表述形式被称做超弦理论，这一理论甚至预言了精确的维数：十维。通常的四维即空间的三维(长、宽和高)和时间的一维，现在被六个更加宽广的维度所扩展。我们注意到，超空间理论还没有在实验上被证实。实际上，在实验室中证明它极其困难。但是，这个理论已经横扫了世界上主要的物理研究实验室，不可逆转地改变了现代物理学的科学面貌，在科学文献中产生了数目大得令人惊愕的研究论文(每统计一次均超过5000篇)。尽管如此，却几乎没有为非专业听众解释高维空间的迷人性质而写的东西。

因此，公众至多也只是模糊地注意到了这场革命。实际上，在大众文化中随随便便提及其他维度和平行宇宙时常会引起误导。这是令人遗憾的，因为该理论的重要性在于它能在一个惊人简单的框架内统一所有已知的物理现象，本书第一次在科学上就有关超空间的引人入胜的现行研究作了可信易懂的捞述。

为了解释超空间理论何以在理论物理学界产生如此巨大的骚动，我阐述了四个基本论题，它们像一根线贯穿在这本书中。这四个论题将本书分成了四篇。在第一篇中，我强调的主题是：自然规律在高维空间中表达时，会变得更加简单和漂亮，并由此展开了超空间的早期历史。

为了理解所增加的更高维度如何能简化物理问题，可以考虑下面的例子：对古埃及人来说气候完全是神秘的。是什么引起季节的更替?为什么当他们往南走时天气会变暖?为什么风一般往一个方向吹?气候不可能从古埃及人很有限的实用观点得到解释。对他们来说，大地显然是平坦的澈像二维平面。但是，现在设想用火箭把古埃及人送到处层空间，在那里他们可以看到简单而完整的地球正在它的轨道上环绕太阳运行，刹那间，这些问题的答案变得清清楚楚。

从外层空间看，可以清楚地看到地球的轴偏离坚直方向约23度("竖直方向"是指地球环绕太阳的轨道平面的垂直方向)。因为有了这种偏离,在它的部分轨道上北半球所接收到的太阳光比在另一部分轨道上接收到的少得多，所以我们就有了冬天和夏天。又因为赤道接收到的太阳光比北极或南极地区接收到的多，所以当我们接近赤道时，气候变暖。类似地，由于地球相对于站在北极的人作反时针自转，因此寒冷的极地空气朝着赤道往南移动时会突然转向。热空气团和冷空气团在移动。在移动中，地球的自转决定了它们的方向。这样的空气团有助于解释为什么风总是朝一个方向吹，而且在不同的地方吹的方向不一样。

概括他说，一旦我们从太空眺望地球，相当的气候规律就很容易被认识。因此，解决这个问题的办法就是上升到太空、进入第三维，当在太空眺望三维的地球时，在平直世界上不可能明白的真相。就突然变得清清楚楚。相似地，引力的规律和光的规律看起来完全不一样。它们遵守不同的物理假设和不同的数学。试图拼这两种力总是归于失败。但是，如果我们在先前的四维(空间三维加时间)中增加一维即第五维，那么决定光和引力的方程看起来就像拼图游戏中的两块合并到了一起。光实际上可以被解释为第

五维中的振动，以这种方式，我们发现光的规律和引力的规律在五维中变得更为简单。

因而，许多物理学家现在相信，传统的四维理论太"小"而不能充分地阐明描述我们宇宙的那些力。在四维理论中，物理学家不得不用笨拙的、不自然的方式把这些自然力挤压到一起。此外，这种杂配理论是不正确的。然而，当基本力在超越四维的维度中被表达时，我们就有了"足够的空间"可以用漂亮、独立的方式去解释这些基本力。

在第二篇中，我们强调了趁空间理论可能能把所有已知的自然力统一到一个理论中，并详尽阐述了这一简单思想。因此，超空间理论可能是2000年来科学探索的最大成就：所有已知的物理力的统一。它可能把难倒爱因斯但(Einstein)好几十年的物理学圣杯即"万物至理(theoryOfeverything)赠送给了我们。

至于使宇宙结合在一起的基本力--引力、电磁力以及强核力和弱核力--为什么有那么大的差别，在过去的半个世纪里，科学家们一直为此感到困惑。凹皿世纪最伟大的头脑企图提出某种统一所有已知力的绘景已告失败，但是，超空间理论可能能够用非常漂亮的方法解释四种自然力，以及解释貌似随机群体的亚原子粒子。在超空间理论中，"物质"也可以被看作波动着穿过空间和时间结构的振动。因而可以得出一种迷人的可能性：在我们周围所能看到的一切东西，从树木和山脉到恒星本身，只不过是超空间中的振动。如果这是真的，那么它给了我们一种漂亮而简单的几何方法，对整个宇宙提供了一种条理清晰、令人信服的描述。

在第三篇中，我们探讨了在极端环境中空间可能被拉伸乃至被撕裂的可能性。换句话说，超空间可能提供了穿越空间和时间的一种途径。尽管我们强调指出这还是高度推测性的，但是物理学家们正在严肃地分析"蛀洞"的性质。这些至洞是连接互相远离的各部分空间和时间的隧道。例如，加利福尼亚理工学院的物理学家严肃提出了建造时间机器的可能性。这种机器包含一个连接过去和未来的至洞。时间机器现在已经离开了推测和幻想的王国，已经变成合法的科学研究领域。宇宙学家还提出了一种令人大吃一惊的可能性，即我们的宇宙只是无穷多个平行宇宙中的一个。这些宇宙可以比作飘浮在空气中的巨大肥皂泡群。正常情况下，这些气泡宇宙之间的连接是不可能的，但是通过分析爱因斯但方程组，宇宙学家已经证明连接这些平行宇宙的至洞或者管道网的可能是存在的。在每个气泡上，我们可以定义我们自己特有的空间和时间。它们只在气泡的表面有意义;在这些气泡以外，空间和时间都毫无意义。

尽管这类讨论的许多结果都是纯理论的，但是超空间旅行有可能最终提供所有结果中最为实际的应用：从宇宙的死亡中拯救包括我们在内的智慧生命。科学家们普遍相信宇宙最终必定死亡，已经进化了数十亿年的所有生命也将随之死去。例如，根据时下流行的被称为大爆炸的理论，发生在150亿年到200亿年前的一场宇宙爆炸致使宇宙膨胀，恒星和星系都以巨大的速度猛然相离。但是，如果宇宙在某一天停止膨胀井开始收缩，那么它最终将坍缩到一场被称为"大坍聚''的灾难之中。在这个大火球中，所有的智慧生命都将被巨热所蒸发。然而，一些物理学家已经推测，超空间理论可能为智慧生命提供一种逃亡的希望，而且是唯一的希望。在我们宇宙死亡的最后几秒钟里，智慧生命有可能通过躲进超空间而逃脱这场坍缩。

在第四篇中，我们对一个最终具有实用性的问题作了推断：如果这个理论被证明是正确的，那么什么时候我们才能具有利用趁空间理论的能力?这不只是一个学术上的问题，因为在过去仅仅是利用了四种基本力中的一种，就不可避免地改变着人类历史的进程，把我们从古代的无知和贫困、前工业社会提高到现代文明。在某种意义上，甚至人类社会的全面发展都可以用一种新的眼光来审视，即人类渐次掌握了四种自然力。文明史随着这些力中的每一种被发现和掌握，而经历着意义深远的变化。例如，当牛顿(IsaacNewton)写下经典引力定律时，他发展了力学理论。这些理论为我们掌握机器提供了规律。这反过来又极大地加速了工业革命。工业革命产生了各种政治力量，它们最终推翻了欧洲的封建王朝。在19世纪60年代中期，当麦克斯韦写下电磁力基本定律时，他开创了电的时代，这个时代为我们提供了发电机、收音机、电视机、雷达、家用电器、电话、微波炉、电子消费品、电子计算机、激光以及许多其他奇特的电子产品。人类要是没有认识和利用电磁力，文明就会在发明电灯泡和电动马达之前停滞一段时间。

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