《一名物理学家的教育历程》有关资料

【作者介绍】

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》。

【相关知识】

为了更好地理解课文，我们需要了解一些相关的理论物理学知识：

１、统一场论：

根据现代物理学知识，将我们的宇宙结合起来的力有四种：引力、电磁力、强核力和弱核力。物理学家运用量子力学，已经把后三种力统一起来（美籍华裔物理学家杨振宁和他的学生米尔斯提出杨—米尔斯场理论，解决了这一问题，被称为“标准模型”。但是这一理论因为计算繁复无比而让人头疼），但是引力仍然游离在外。爱因斯坦毕终生之力想寻求四种力的统一，建立一个大一统的理论，最终也没有实现。

２、高维空间：

现代理论物理学认为，统一四种力的前景，在于高维空间（如十维或更高）理论的确立。比如对于古人来讲，风暴是怎样产生的，风暴会袭击什么地方，什么时候袭来，什么时候结束，他们是一无所知的，因为他们生活在平坦的大地上，只能靠肉眼从近似于二维平面的角度来观察，即使有简单的预报，也都是靠经验来推测的。现在有了气象卫星，从太空这样三维角度观察地球，在地面上看来神秘莫测的风暴被看得一清二楚，可以精准地预报风暴的动向。同样，理论物理学家认为，传统的四维（空间三维加上时间）理论太“小”，不能解释宇宙中的四种力。当他们超越四维而在更高维（如十维或更高）中寻求统一这四种力时，就能得到一种简单、漂亮的解决模型（科学家认为宇宙应该是简单、和谐的）。

高维空间理论认为，宇宙大爆炸后１０-４３秒，十维宇宙分解成四维宇宙和六维宇宙，四维宇宙暴胀，经过近１５０亿年，演变成今天我们生活的宇宙。大爆炸后１０-３５秒，大统一力分开。但是高维空间理论很难在实验室中得到证实，因为要模拟当时的环境，需要的能量太大，根本无法做到，所以现在高维空间理论只能是“理论”。

【与课文相关的章节（加来道雄）】

面向第五维

由于家境贫寒，我的父母担忧我将不能把自己的实验和教育继续下去。幸运的是，我为我的各种科学计划争取助学金的行动引起了原子科学家泰勒（EdwardTeller）的注意。他的妻子慷慨地安排我接受四年的奖学金去哈佛大学学习，允许我在那里实现自己的梦想。

具有讽刺意味的是，尽管我在哈佛开始了自己在理论物理方面的正规教育，但也正是在这里我对更高维数的兴趣消失殆尽。像别的物理工作者一样，我开始严格而又全面地学习与每一种自然力所对应的高等数学，这些自然力彼此之间是完全孤立的。我仍然记得给我的电动力学老师解题，然后我又问他如果空间在更高的维数中弯曲，那么答案可能会是怎样。他以一种奇异的方式看着我，好像我有点疯狂似的。像比我先来的人一样，我不久就学会把孩提时代关于更高维数空间的念头搁置一边。我被告知：超维空间不是一个合适的严肃研究课题。

我从来就不满足于对物理学的这种支离破碎的处理，思绪常要飘回到茶园中鲤鱼的身上。虽然我们常用的电磁场方程在１９世纪就被麦克斯韦发现，他的这一工作十分完美，但方程好像相当随意。我觉得物理学家们（像鲤鱼那样）发明的这些“力”，实际上掩盖了我们对物体怎样能够不彼此接触而运动这一问题的无知。

通过学习，我知道１９世纪有一场大争论，就是光怎样在真空中传播。（事实上，从恒星上发出的光可以通过外部空无一物的空间毫不费力地传播好几万亿千米。）实验也毫无疑问证明了光是一种波。但是，如果光是波的话，那就需要一些使它发生“波动”的媒质。声波需要空气，水波需要水，而在真空中却没有可以使光波动的东西，人们对此深感疑惑。没有使光波动的媒质，它怎能成为波呢？于是，物理学家们就捏造出一种所谓的以太物质，这种物质作为光的媒质而充满整个真空的空间。然而，实验却无可辩驳证明了“以太”并不存在。令人惊奇的是，直到如今，物理学家对这一难题仍然没有作出真正的回答，但数十年来，我们却对这样的思想习以为常：即使没有什么媒质，光照样可以在真空中传播。──作者注。

后来，当我成为加利福尼亚大学伯克利分校的物理学研究生后，我非常意外地发现有一个变通的办法，尽管这个办法会引起人们的争论，但是它可以解释光怎么能在真空中传播。这个变通的理论十分古怪，因此当我偶然间发现它之后十分震惊。这种震惊与许多美国人乍闻肯尼迪（JohnKennedy）总统被枪杀的感觉颇为相似。他们能永远记住他们听到这一惊闻的那一刻正在干什么，正在和谁说话。当我们第一次偶然遇到卡鲁查-克莱因（Kaluza·Klein）理论时，我们这些物理学家也深感震惊。因为这一理论被认为是一种不成熟的推测，因而从不在研究生课程上讲述。于是，留给年轻物理工作者们的只是在有关读物中偶然地去发现它。

这个变通的理论给光作了一个最为简单的解释：它实际上是一种第五维（或如神秘主义者通常所说的那个第四维）上的振动。如果光能通过真空传播，那是因为真空本身在振动，因为“真空”实际上存在于四维的空间和一维的时间之中。加上第五维之后，引力和光就能以惊人简单的方式统一起来。回顾我童年时代在茶园的体验，我突然意识到这就是我梦寐以求的数学理论。

然而，老的卡鲁查-克莱因理论有许多困难和技术问题，这就使得它半个多世纪来一直被束之高阁。可是，过去１０年中这一切都发生了变化。这一理论的更高层次的翻版，如超引力理论，特别是超弦理论，已经最终消除了该理论的不自洽性。突然之间，更高维数的理论正在世界各地的实验室中被竞相检验。世界上许多头面物理学家现在相信，在普通的四维时空之外存在有更高的维数。这一思想事实上已经成为科学研究的热点。的确，许多理论物理学家现在认为更高的维数是导致某种无所不包理论的关键步骤，这个理论──超维空间理论──将把许多自然规律统一起来。

如果这被证明是正确的，那么未来的科学史家们可能会很好地记下：２０世纪科学一大观念性革命就是懂得了超维空间可能是解开自然和宇宙奥秘的关键。

这种富于启发性的概念导致这方面的科学研究纷至沓来：世界各国主要研究所的理论物理学家们写出了好几千篇探索超维空间性质的学术论文。《核物理》和《物理快报》这两种重要的科学杂志中登载着大量这方面理论分析的文章。已经举办了两百多次国际物理学会议来探索高维数的重要性。