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《宇宙的琴弦》(英文名: 《The Elegant Universe》)是由布赖恩·格林所著的图书。该书于1999年由W W Norton & Co Inc.出版社出版。2004年8月,湖南科学技术出版社引进出版了中文版,并于2016年和2018年进行了再版。
《宇宙的琴弦》以通俗笔触串联起物理学从经典力学到弦理论的演进,揭示了弦理论作为统一广义相对论与量子力学的候选理论的核心观点:将基本粒子视为振动的“弦”,并构建出11维时空(10维空间+1维时间,其中7维蜷缩)的宇宙图景。书中阐释了弦理论如何通过马克斯·普朗克尺度的空间限制调和理论矛盾,将引力纳入体系,并重新解读宇宙起源(大爆炸起点为普朗克尺度的多维火球)与黑洞本质(与基本粒子属性关联,大质量黑洞可转化为振动弦)。
2000年,《宇宙的琴弦》获得安万特科学图书奖。
参考资料:
从最初的经典力学入手,讲述了其在宏观世界的巨大成功,如牛顿运动定律能够很好地解释物体的运动和相互作用,让人们对宏观世界的物理现象有了深刻的理解。
介绍了阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,颠覆了人们的绝对时空观,指出时间和空间是相互关联且会因物质和能量而弯曲的;同时阐述了量子力学在微观世界的奇妙现象,如不确定性原理、量子纠缠等,它揭示了微观粒子的行为方式与宏观世界截然不同。
指出广义相对论和量子力学这两大现代物理学支柱,在马克斯·普朗克尺度下,也就是在黑洞中心、大爆炸初始等物质质量极大而尺度极小的特殊场景中,产生了不可调和的矛盾,这成为了现代物理学亟待解决的核心问题。
提出弦理论认为,如果将电子、夸克等基本粒子放大,会发现它们并非是传统认为的点粒子,而是由一个个小环构成,这些小环如同无限细的一维橡皮筋,被称为 “弦”。弦的不同振动模式决定了不同的基本粒子,比如电子、光子、夸克等粒子的特性都是由弦的不同振动状态所赋予的。
通过数学推导,弦理论中的宇宙被认为有 10 个空间维度和 1 个时间维度,总共 11 维。其中 3 个空间维度是展开的,构成了我们所感知到的三维空间,而其余 7 个维度则蜷缩在极小的尺度下,目前人类用最精密的仪器也无法观测到它们的存在,但它们却对微观粒子的物理性质起着关键作用。
书中描述了在弦理论的宇宙图景中,空间的纤维可以撕裂并自行缝合起来,这种奇特的现象是弦理论中空间结构的一种特殊表现形式,与弦的运动和相互作用密切相关。
弦理论的出现为解决广义相对论和量子力学之间的矛盾提供了可能。由于基本粒子存在空间大小限制,小到弦的平均长度即马克斯·普朗克长度就不能再小了,这使得在普朗克长度以下的空间涨落不再是无意义的无穷小,从而调和了两大理论在这一尺度下的矛盾,并且将引力成功纳入了弦理论的框架,在建立统一场论的道路上迈出了重要一步。
弦理论对宇宙大爆炸理论也有新的诠释,认为在大爆炸的起点,宇宙不是无限小,而是在各个维度都有普朗克尺度,就像一个非常小的火球。随着大爆炸的发生,三个空间维度开始生长,其余维度保持普朗克尺度,之后展开的维度不断演化、膨胀,逐渐形成了如今我们看到的宇宙。
弦理论在黑洞和基本粒子之间建立了紧密联系,发现任何两个具有相同质量、力荷和自转的黑洞是完全相同的,这与基本粒子的性质相似。并且在弦理论中,大质量的黑洞在某种情况下能够转化为一个没有质量的粒子,即一根以特殊方式振动的弦。
书中介绍了超弦理论,即在 “超对称” 框架下的弦理论,它认为玻色子和费米子的振动模式是成对产生的,由此引出了关于多个卷缩空间方向的高维想象,形成了一套包含引力、多维和超对称性的 “高维超引力” 理论。
讲述了第二次超弦革命的成果 ——M 理论,它表明原先被认为各自独立的 5 个弦理论,实际上都是 M 理论统一框架中的一部分。M 理论在原先 10 维时空的基础上,提出了还有另一个空间维,使宇宙的维度增加到 11 维,为统一 5 个弦理论提供了基础。
由于弦的尺度极小,目前人类的技术水平还无法直接探测到马克斯·普朗克尺度,也就难以通过实验直接检验弦理论的正确性,这是弦理论面临的最大挑战之一,使得弦理论在现阶段更多地停留在数学层面的研究和推理上。
以上参考资料:
布莱恩·葛林(Brian R. Greene)毕业于哈佛大学,在牛津大学获博士学位,是罗德学者(Rhodes Scholars)。1990年,他来到康奈尔大学物理系,1995年被聘为教授,1996年到哥伦比亚大学任物理学和数学教授。他曾在20多个国家开过普及和专业讲座,公认在弦律中有过许多开拓性的发现。他还曾出演过《生活大爆炸》。
参考资料:
参考资料:
宇宙的琴弦.豆瓣读书.2025-06-05
宇宙的琴弦.宇宙的琴弦.2025-06-05
宇宙的琴弦.豆瓣读书.2025-06-05
第一推动丛书·物理系列:宇宙的琴弦(新版).起点中文网.2025-06-05
【宇宙的琴弦】.【宇宙的琴弦】.2025-06-05
The Elegant Universe.豆瓣读书.2025-06-05
The Elegant Universe.豆瓣读书.2025-06-05
The Elegant Universe.豆瓣读书.2025-06-05
优雅的宇宙.豆瓣读书.2025-06-05
宇宙的琴弦.豆瓣读书.2025-06-05
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