下一个爱因斯坦在哪里

2015-06-17 22:40:15
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下一个爱因斯坦在哪里 
1915年11月,爱因斯坦在给普鲁斯科学院一篇通讯中给出了现在名为“广义相对论”的最终陈述,在这篇划时代的文章中,爱因斯坦提出了后来名为爱因斯坦场方程的东西,彻底革新了万有引力理论和时空观。
 
无论之前的爱因斯坦还是之后的爱因斯坦都无法超越这个空前的成就,我们甚至可以说,爱因斯坦之后的任何理论物理学家都无法企及这项成就。一百年过去了,我们有了量子力学,有了描述基本粒子的量子场论,有了描述各种复杂现象的其他理论,却没有一项成就可以与一百年前爱因斯坦发现时空弯曲比拟。现在,五花八门的刊物和五花八门的组织每年都会评出什么当年十大科学发现或者物理发现,随着时间的流逝,绝大多数这些十大发现都会失去光泽,除了当事人没有几个人还能记起。如果要我选择一项过去一百年或者20世纪的最大科学发现,非广义相对论莫属。当然,量子力学的发现也十分了不起,但量子力学的发现毕竟是一个很多人长期努力的积累过程。
 
在爱因斯坦发现时空弯曲之前十年,他已经取得了了不起的成就,那就是他在奇迹年1905年所做的若干发现。从1907年开始,爱因斯坦就致力于将他的相对论推广到最为一般的情形,经过八年的断断续续的努力,他终于成功了。
 
在爱因斯坦之后,人们在他的路上继续向前走,大致可以分为三条岔道:一条是检验爱因斯坦理论以及应用这个理论,例如通过旅行的时钟变慢验证时空弯曲,应用时空理论描述宇宙学,应用爱因斯坦场方程去描写一些极端引力:中子星,黑洞。在这条路上,人们还有很多事情可以做,例如,引力波到现在还没有被发现,而明年开始的一些实验有可能发现引力波,仅仅探测到引力波就是诺贝尔奖级的发现;第二条路是修改爱因斯坦的理论,用以描述宇宙尺度上的一些新发现,如星系的引力异常(通常用暗物质来解释),宇宙加速膨胀,很遗憾,目前还没有一项修正可以取代爱因斯坦的理论;最后,当然是完成爱因斯坦毕生没有完成的另一项伟业:统一各种不同的物理现象包括万有引力,统一量子力学和广义相对论。令人遗憾的是,虽然物理学家们努力了半个世纪,人们也取得了这样那样的进展和成绩,貌似我们离爱因斯坦之梦和爱因斯坦距离他的梦想一样遥远。
 
也就是说,下一个爱因斯坦在哪里?
 
在剩下的篇幅里,我试图论证两个矛盾的观点,第一个是,我们需要下一个爱因斯坦。第二个是,不可能有下一个爱因斯坦。
 
首先要破一个“迷思”,就是公众眼里的霍金。一般认为,霍金就是第二个爱因斯坦。尽管霍金是一个非凡的物理学家,他确实不等于第二个爱因斯坦。霍金最大的成就是在理论上发现黑洞蒸发现象,但这个现象没有被实验证实(还没有这样的超难实验),同时,这项发现本身无法和相对论的发现相比。其次,霍金的次重要工作都是在爱因斯坦理论的框架内完成的。尽管霍金不是爱因斯坦,他是一个非凡的物理学家,因为他在非人的身体条件下完成了他的工作,这些工作堪比当代其他最好的工作。
 
在我做研究生的时候,其时最火的物理研究是超引力。超引力是当时的物理学家发展的一套类似爱因斯坦理论的数学理论,在这些理论中,时空还是弯曲的,但除了时空之外,还有一些所谓的超空间,时空加超空间看起来似乎是统一了爱因斯坦理论和其他物理现象。很遗憾,从1976年到现在,人们还无法证明超引力理论真的是自洽的理论(主要是不论证明量子力学与这些理论不矛盾,更无法在实验上验证这些理论)。
 
我做研究生不久,另一种理论变得比超引力还要火,这就是超弦理论。超弦理论成为主流理论物理学家的研究对象,一直到现在。我自己也在其中耗费了很多时间和精力,坦率地说,超弦理论的发展导致了很多有意思的数学发现,例如在几何上的应用,例如人们发现有些引力理论等价于非引力理论(两者的时空维度竟然不一样!),例如量子引力的全息原理,但所有这些发现加起来并不等于一个统一理论。
 
无论是超引力还是超弦理论,都是无数聪明的理论物理学家一道努力的结果,但没有任何人在其中起的作用类似爱因斯坦。所以我觉得,要发现量子引力的终极真理,真的需要一个爱因斯坦。
 
可是,真的会有下一个爱因斯坦吗?我很怀疑。在超弦理论这个领域,从1968年理论的诞生到现在,47年过去了,其中出现了各种大师级的人物,有些人的工作甚至可以说超越了霍金的工作,却没有一个人能够接近量子引力的终极真理。有些天才人物虽然老了,还一直活跃。而最年轻的天才人物,现在也接近50岁了。是的,还没有一个30岁甚至40岁的天才出现。
 
韩松在最近一篇《财新周刊》的文章中纪念了爱因斯坦,同时还期待下一个爱因斯坦出现。在文章的最后一段,他写道:
 
“现今,中国的大学不仅恢复教授相对论,还开始传播代表新宇宙的核心价值观。中国成了世界上最热爱科幻的国家之一。因此有理由期待下一个爱因斯坦能在实现梦想的过程中出现。”
 
嗯,这一节体现了韩松老师一如既往的幽默。
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名家简介
李淼简介:
男,1962年10月出生。中国科学技术大学交叉学科理论研究中心教授,研究方向包括超弦理论、量子引力等。
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