简介
我们的宇宙是一首即兴创作吗?宇宙结构与音乐之间有着什么样的秘密联系?我们的宇宙本质上是一个音乐宇宙吗?《宇宙的结构》一书是理论宇宙学家、萨克斯演奏家斯蒂芬•亚历山大的颠覆式新作,他在书中创新地揭示了音乐和宇宙结构之间的秘密联系,非常独特。 物理与音乐看似是对立的,但在《宇宙的结构》一书中,斯蒂芬•亚历山大将带领我们走过他非凡的探秘旅程——从毕达哥拉斯到爱因斯坦,从爵士乐到理论物理学,从天籁之音到弦理论,并揭示出:宇宙结构的起源实际上可能与爵士乐的即兴演奏有着很大的相似之处,那就是都是一种振动与共振! 《宇宙的结构》这本书最迷人之处在于,它既是一本关于历史的回忆录,又是一本推广物理学的前沿科普著作,还是一本普及爵士乐的轻松读物。斯蒂芬•亚历山大关于宇宙结构和相关历史的研究,和他的人生故事一样,值得一读。
作者介绍
斯蒂芬·亚力山大
布朗大学物理学教授,主要研究理论宇宙学、量子引力和粒子物理学,荣获美国国家科学基金会杰出青年教授奖(NSF CAREER Award)。曾任教于宾夕法尼亚州立大学、哈弗福德学院和达特茅斯学院。
爵士乐演奏家,与知名电子乐乐手埃琳•里乌(Erin Rioux)合作制作了自己的第一张专辑,名为《来了》(Here Comes Now)。
本科毕业于哈弗福德学院,在布朗大学获得博士学位,并在伦敦帝国理工学院和斯坦福大学直线加速器中心进行科学研究。
部分摘录:
空间远比运动在其中的物质更有趣 宇宙空间与把你和书本隔开的空间一样。几个世纪以来,哲学家和天文学家都假定空间是空无一物的,是一种真实物质运动于其中的“惰性介质”。然而,几千年后,睿智的哲学家证明这种观点是错误的。爱因斯坦就是其中之一,他敢于质疑已被广为接受的物理学基本假设,并向我们展示了:空间远比在其中运动的物质更有趣。
爱因斯坦首先质疑的就是引力。伽利略在比萨斜塔上所做的实验证明,两个质量不同的铁球会以相同的加速度下落。爱因斯坦把这个实验延展到了地球之外的太阳系,进而永久地改变了牛顿对引力和运动的描述。爱因斯坦从一个思想实验开始,下面是这个实验的现代版本。
假设一个人坐在静置于地球上的太空船中,另一个人坐在太空中的太空船里。地球上的人受到地球的引力,并且感觉不到运动。对太空中的人来说,只要太空船不动,他就会飘浮起来,因为太空中不存在引力。如果太空船加速,那么这个人就会感觉到自身具有重量,因为他会被推到太空船的地板上。爱因斯坦推断,一个人无法区分自己到底是静止于某个常引力场中,还是在空无一物的空间里做加速运动。他认为,这两种情况在物理学上是等价的,区别只在于运动的相对状态。这个“等价原理”(equivalence principle)正是爱因斯坦广义相对论的关键。
这个简单到甚至带着孩子气的想法,却把数学上最美妙的分支之一——微分几何,带到了引力物理学的前沿。微分几何可以用于描述一个坐标系统。利用坐标系统自身的性质,爱因斯坦概括了自己的理论,从而创建了广义相对论。他认为,时间与空间本身的结构是由物质的结构决定的。他把时间与空间统一为一个单一的坐标实体——时空,并且描述了它在物质和能量存在时是如何弯曲的,以及物质如何在弯曲的时空中运动。物理学界的泰斗约翰·惠勒(John Wheeler)曾说:“物质决定了时空如何弯曲,而弯曲的时空决定了物质如何运动。”
所以,在爱因斯坦太空船的例子中,一个乘客经历了加速度,是因为地球弯曲了空间,从而产生了引力。对另一个乘客而言,太空船助推器产生的能量弯曲了空间,从而使太空船加速。
爱因斯坦的方程可以用来描述整个宇宙的时空 在爱因斯坦进行自己的思想实验时,水星绕太阳公转的轨道还是物理学中的一个未解之谜,它与牛顿的引力理论所预言的轨道是有偏差的。1915年,爱因斯坦提出了弯曲时空理论,并且计算出了水星绕太阳公转的反常运动。水星离太阳太近,所以它的开普勒轨道被太阳的巨大引力效应改变了。爱因斯坦确信,水星的轨道揭示了太阳弯曲其周围时空的方式。1919年,随着爱因斯坦的预言被证实,所有宇宙学家的职业生涯都发生了巨大的变化。爱因斯坦曾预测,在日蚀来临之时,位于太阳后方的某颗恒星将被发现,因为它的光线将沿着太阳附近的弯曲轨迹传播。他的预测是正确的,然而这只是冰山一角。不可思议的是,在我们的太阳系之外,爱因斯坦的方程还可以用来描述整个宇宙的时空。
广义相对论是一个既美丽又令人敬畏的理论,它极端复杂,难于应用。广义相对论既提供了物体运动的方程,又提供了描述时空中引力场弯曲程度的方程,这让其极难求得精确解。与牛顿以一个方程确定的引力理论不同,广义相对论有10个彼此相关的微分方程,它们必须被同时求解。不过,爱因斯坦和那些试图求解这些方程的同时代的人并未因此而驻足不前。
爱因斯坦的理论对太阳系很适用,并且解释了水星的反常运动,但当把那些理论应用于整个宇宙时,爱因斯坦就感到困惑了。他的理论预言,宇宙必须是膨胀的。然而,当时的观测结果表明,宇宙是静态的。爱因斯坦凭自己一如既往的聪明才智,通过将一个名为“宇宙常数”的常量引入自己的引力场方程来抵消膨胀,从而“修正”了膨胀的问题。
1927年,天文学家埃德温·哈勃向爱因斯坦展示了他的数据。爱因斯坦意识到,引入这个宇宙常数是他“一生中所犯的最大错误”。通过拍摄星系的照片,哈勃得以计算出它们之间的相对速度和距离,这在历史上尚属首次。如果宇宙是静态的,那么无论处于哪个位置的星系,都应该有着相同的速度。出乎所有人——尤其是爱因斯坦意料的是,结果显示,所有星系彼此之间的距离越远,运动速度就越大。爱因斯坦立即意识到,这意味着宇宙在膨胀。
正如结果所示,宇宙膨胀这一事实有利于找到爱因斯坦方程的解,因为它可以把哥白尼在大约1500年提出的应用于太阳系的相同原理——地球不是宇宙的中心,应用到宇宙之中。4位物理学家通过这种方式,并应用爱因斯坦的理论,各自独立地找到了描述完美对称的膨胀空间的精确解。
为了应用哥白尼理论,我们需要回到过去。既然宇宙在膨胀,那么理论上我们可以把宇宙的钟表往回拨,并且进行压缩。随着宇宙的收缩,恒星、行星和星系中的物质会被压缩到越来越小的空间中。如果我们把钟表回拨到足够早的时候,那么所有这些物质中的原子都会开始发生变化。在我们通常接触的低能尺度上,电子均被束缚在原子核中。然而,在致密状态下,热能会汹涌而出,把电子推离它们的轨道。这意味着,在宇宙大爆炸之后,早期宇宙中充斥着炎热而致密的自由电子、核子与光子。早期的宇宙中还随机分布着大量高能物质和辐射。这是一团沸腾的等离子体,没有任何结构,只是一个“原始火球”——这正是一种“哥白尼宇宙”。这听起来可能很无趣,但它至少是一个能用爱因斯坦方程得出精确解的宇宙。这种对早期宇宙的设想引出了一个最终将由我来解决的问题:“是什么力量把这些早期等离子体转变成了我们抬头就能在夜空中看到的恒星、行星以及星系?”
在某些人看来,一个好的物理理论应该是完美的,我那些致力于寻找“万物至理”的同事更是这么想的。我不相信我们能找到这种完美的理论。大自然就像一位伟大的即兴演奏者,总是会给我们带来惊喜,而我们的理论却无法解释或者预言这些惊喜。此外,一个好的物理理论总是指向自己失效的根源,这正是爱因斯坦面对宇宙膨胀假说时的情形。对于我们观测到的星系中轻元素的比例,以及哈勃定律中退行的星系的比例,这一假说做出了精准的预言,但它本身并不能告诉我们是什么推动了结构的形成。我们的解决方法是:保留理论的正确预言,并回避理论的不当之处。让我们一起去寻找宇宙的“元凶”吧。
“点燃”宇宙的膨胀 也许关于膨胀宇宙最重要的预言来自第一种元素形成时期。高度压缩的炽热电子分散开来,然后逐渐冷却,其运动也变得温和起来。质子正在等着捕获这些电子,而第一个轻元素氢即将诞生。氢元素诞生的条件形成于大爆炸后38万年左右,那时宇宙的温度已经冷却到3 000开尔文(15),大约是5 000摄氏度。在这个温度下,粒子的能级足够低,使得电性相左的质子与电子之间的库仑力可以发挥作用,把它们结合在一起,从而形成氢元素。然而,大部分电子依旧是高能的,这使得氢元素十分不稳定。为了形成稳定的氢元素,电子必须落到可能的最低能级上,这意味着多余的能量必须以光子的形式释放出去,其特征温度大约为3 000开尔文。此时,宇宙真的是在发光。