《宇宙的构造》作者布赖恩 · 格林

宇宙是如何诞生和演化的？还有其他的宇宙吗？时空的本性是什么？这些问题已经吸引了诸多文明社会中的思想者们几千年，由此产生了宗教信仰、神话、迷信和哲学，最后产生了科学。这些问题对人类想象力的把握非常牢固。回答它们所需的工具——用来进行必要观测的技术手段和用来制定有力解释的物理理论——在这些年都已经变了。在《宇宙的构造》一书中，布赖恩 · 格林（Brian Greene）巧妙的把最新测量的天文数据连同平常的例子呈现出来，以帮助我们了解它们。

20世纪理论物理学最伟大的两个成就——广义相对论和量子力学——给所有为通向这些“终极”问题的答案而做的尝试制定了框架，并提供了所需要的智力工具（2005年将是爱因斯坦在1905年为这两个理论播下种子的100周年）。但是20世纪也给21世纪留下一个至今尚无人能解决的问题：怎样使这两个理论彼此统一起来？当然，如果它们都服务于同一个脚本，而从这个脚本中我们能知道宇宙的故事，那么，使之统一将是不可避免的。

不幸地是，无论是量子力学——一个描述物理客体行为的一般理论，还是广义相对论——一个描述引力的理论，都含有许多违反直觉的特点（这些特点违背了明确的描述和解释，没有用到大量的数学工具）。因此任何一个人如果想把它们解释给无适当专业背景的读者，都会面临一个真正的挑战。

《宇宙的构造》一书描述了人们要理解天体演化和宇宙论所需要的所有物理部分。首先是热力学第二定律，或者是该书作者布赖恩 · 格林经常谈及的“时间之箭”。若倒着播放一个矮胖人下落的录像，我们会发现这是假的：时间之箭从他坐在墙上的有序状态——低熵，指向他摔成碎片的无序状态——高熵（尽管书中是这样比喻的，但时间之箭和热力学第二定律并不是真正等同的，对于时间的方向来说不仅仅意味着熵的增加）。这里需要解释的谜是：为什么宇宙从一个熵非常低的状态出发，就像得到过热力学第二定律的指令一样，熵不断增加，同时又设法把低熵分给它的组成部分。这些有序状态的遗赠使星系、恒星和行星沿着时间之箭的指向变得越来越杂乱无章，最后终于使地球上生命的产生成为可能。

由于在宇宙尺度上引力是占支配地位的力，因此第二个必需的要素是爱因斯坦的广义相对论，它描写了宇宙之舞的旋律。根据广义相对论，宇宙的成员们听到了这个旋律，并被其诱导着通过弯曲的时空几何（时间与三维空间的组合）翩翩起舞。这个理论告诉了我们关于空间本性的什么东西？对于牛顿（Newton）来说，空间是上帝规定好的实体，而对于奥地利物理学家厄恩斯特 · 马赫（Ernst Mach）来说，空间除了是一个相关的抽象之外什么都不是。给了我们黑洞和一个膨胀宇宙的广义相对论，也应该用来解释大爆炸，但是它却很快就停下了。这是因为它不仅在宇宙至关重要的最初时刻失败了，而且它也不能解释如下机制：在最初若干分之一秒的短暂时间内，宇宙的组成部分变得均匀分布。这个机制为近来的宇宙微波背景（宇宙诞生时第一声啼哭的标志性回音）的天文观测所指出，同时也是低初始熵的必然要求。更甚者，宇宙中所有的粒子除了受引力支配之外，还遵循量子力学的定律。

因此，第三个进入故事的物理角色是量子力学——它通过以下的事实得到了很好的支持：由它的方程计算出来的物质性质同实验结果异常精确地吻合。然而，它也是同样出了名的怪异。

虽然爱因斯坦在1905年创立了这个理论（1905年建立了狭义相对论，在此基础上于1916推广为广义相对论），但是他对这个理论的建设却影响很小，理论的建设是由维尔纳 · 海森堡（Werner Heisenberg）、欧文 · 薛定谔（Erwin Schrodinger）和保罗 · 狄拉克（Paul Dirac）在20年之后完成的。

事实上，爱因斯坦是坚决反对它的暗示的。它不可思议的主要根源是在于它是本质上的概率论的事实。早先的物理理论也包含了概率论，那只是用来掩饰我们对亚显微结构行为的无知（或者兴趣的缺乏）——许多粒子组成了一种气体。与那些理论相比，量子力学在其本质上表现为概率论，不去从更基本的层面上解释它们（这就是爱因斯坦用“上帝不掷骰子”这句评论来否定它的有效性的原因）某一确定的亚显微结构上的事件，比如说原子核的放射性衰变，是不可能被预见的，但是这个理论允许精确计算它们发生的概率，且计算结果与实验数据吻合的很好。

连同对概率预测的限制一起，有著名的海森堡测不准关系。在建立严格的精度限制之上，粒子的位置和速度（还有其他不同系统的成对特性）可以被同时确定，这导致了在确定的基本系统上有无法控制的波动现象。任何一个宇宙结构的描述都不得不把这些考虑进去。

量子力学也包含了其他一些至少是违反直觉的方面，比如说物理系统的态之间的相互关系没有经典的对应。这些“纠缠”经常被——我认为错误的——解释成系统或粒子本身之间的相互关系，与哲学上“绝对实在”的成见以及如爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”那样显而易见的存在产生了冲突。

在过去的75年内，许多统一广义相对论（不包括概率论和不确定性）和量子力学的尝试被做过。为了完成这项艰苦的工作，目前有几种数学上深奥的方案正在迅速发展着。这些方案以提出全新的思想为代价，这些思想不仅涉及到物质的基本结构——以弦或者“膜”替代粒子，还涉及到时空的维数。这些极具疯狂想象力的新思想停留在一个根本的缺陷之上：它们和将来不久——或者任何时候——的所有可能的实验检验的联系看来是微乎其微的。热心的支持者们喜欢提出“唯一性”——自然没有选择，没有二者选一在数学上的可能性，但是他们又通常指向“优美”和“典雅”。这就把讨论和争辩推向弦学或哲学的范畴，而不是传统的科学。

布赖恩 · 格林，一位来自哥伦比亚大学的物理学教授，凭借着深入浅出的技巧，借助于生动的、富有说服力的比喻论述了这些问题（但有些图示还是可以改进的）。尽管用的夸张多了一些，但写得还是很不错的。对于非科学家来说，这应该是一本比较容易和乐于接受的读物。

不过有时格林显得非常随便自如。在对弦理论的讨论中，他也经常基于他的“直觉”来作出一些判断。科学家头脑中没有经过发展的初步理论是不应该向专家以外的人夸耀的。有谁能想象出爱因斯坦在他的直觉阶段就公开发表主张相对论的演讲呢？但是要记住：正是爱因斯坦的这种意识——而他的这种意识还要比其他任何人的都要精细——使他拒绝了量子力学。

《宇宙的构造》缺少的是批判的意识和思考的深度，“哎呀，不是所有这些都是怪异的，但是却如此的精巧！”不过，这本书对那些甚至想学时间旅行和心灵运输的外行读者来说，充满了乐趣和刺激。这将是一本不会被放在咖啡桌上偶尔一读的通俗科学书籍。

本文作者罗杰·G·牛顿是印地安那州立大学的著名教授，现已退休。他最新的著作是《伽利略摆：从时间的节奏到物质的产生》。