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世界究竟是几维的?——Think+ 演讲

(感谢南方周末编辑整理录音)

李淼:刚才徐星老师给我们讲恐龙怎么样插上翅膀飞向蓝天的,人类没有翅膀,人类有思想的大脑,我们要自由。我今天在各个嘉宾里做的研究是最抽象的,我有微博,我在发微博的时候会谈到我做的事情。常有网友留言,虽然不懂,但看上去很厉害的样子。今天我的演讲题目也希望是这样,大家回去留个印象,虽然不懂,但是听上去好象很厉害的样子。我们现在经常看一下3D电影,像娱乐电影、科幻《阿凡达》、《玩具总动员》等等这些3D的电影,这些3D电影用的技术很简单,利用我们两只眼睛的构造,用两台摄像机来拍场景,我们戴个眼镜,左右眼都有滤光片,滤进来的东西是两台摄像机分别拍摄,然后再合起来,然后一个平面的东西,我们就看成是立体的。并不是说我们在一个立体的世界里,而是大脑和眼睛一起配合起来迷惑了我们自己。其实我们看到的是两维的世界。但是我们确确实实生活在三维的世界里,我们看到了,我们体验到了,摸到的都是三维的。换句话说,我可以左右移动、前后移动,我们还有上下。在地图上我们看到是一个两维的世界,东西南北,由东向西,由北向南。我们坐飞机,升上去和降落就是第三维。无论是你看到的还是体会到的,还是你所想的,都是三维的,所以世界确实是三维的。

但是我们会问一个问题,我们看到的,摸到的是真的吗?有没有比真理更加真的东西?下面我讲一个故事,我记得有一个名人说了一个名言:“比真理最真的东西是故事”,我下面讲一个故事,告诉我们这个世界也许不是三维的,而是我们大脑迷惑了我们。我们前面说过了,我们看3D电影,以及我们看到有些全息技术、全息摄影,可以从各个角度摄影一个建筑字,然后你看摄影的时候,你看到的不是两维的,确实是三维的,而且你可以看到两维的死角看不到的东西。

我今天想告诉大家,最近几年的物理学研究——这个在实验中还要验证——最近几年物理学研究告诉我们,我们的世界也可能是两维的,而我们感受到、摸到、听到的,在其中运用的是三维的,也许是一个幻觉。今天我站在这个地方看,整个图象是非常迷幻的东西,为什么会这样呢?回到2004年,大概是8年前我做了一项研究,我研究的是关于暗能量的,说到暗能量,我想回顾一下什么叫暗能量。大概在14年前有两组美国人,两组天文学家通过望远镜看天上的东西,他们发现一个惊人的事实,宇宙在加速膨胀,我们的宇宙大约是在137亿年前,通过大爆炸,从一个狭小的空间膨胀到今天,膨胀到大概有10的28次方厘米,具体说大约是400多亿光年这么大的宇宙。我们过去的理论是,宇宙虽然在膨胀,它膨胀的速度应该会越来越慢,这件事情很容易理解,我们中学时都学万有引力,任何两个物体之间存在着引力。到爱因斯坦,他说,引力是时空的作用,空间会膨胀,也会缩小。我们向天上扔一个苹果,这个苹果一开始是向上升的,你会发现它慢慢减慢速度,到最高点开始向回落。向上升的苹果是在减速的,宇宙膨胀同样也应当如此。它膨胀到一定程度应该在收缩。可是1998年的发现完全推翻了这个说法,宇宙一直在加速膨胀,它的加速度有多大呢?就是这个PPT里显示出来的,非常小,只有10的负8次方厘米每秒平方,10的8次方厘米概念是多大呢?大概是一个氢原子的大小。每秒提高的速度,只是一秒钟内通过氢原子那么大的速度,可是你考虑到宇宙已经存在将近140亿年,在这么长的时间积累中,提到这个数字是非常可观的。这么小的数字,看起来非常偶然,到底有没有可能来理解它?宇宙学家有这个本事,他可以关在自己的办公室里,拿一支笔和一张纸,我们没有翅膀,但是我们大脑就是翅膀。

有一个故事开宇宙学家的玩笑:“换一只灯泡需要几个人?我们知道换一个灯泡需要一个男人或者需要一个女人,需要几个宇宙学家呢?两个,一个宇宙学家拿住灯泡,另外一个宇宙是转动宇宙”。说明什么呢?宇宙学家可以自己在想象中随意摆弄宇宙,就是我们可以随意做我们想做的事。现在我想做一件事,想象我们的宇宙也许是有限的,就像我们的剧场一样,当然比我们剧场要大得多,大概有400多亿光年,即便是400多亿光年,也是有限的。我只是说它的独立范围只是在这400亿光年之内。有一个有限的半径,换句话说,所有东西都可以用一个非常大球状的荧幕表达出来,就像我们看3D电影一样,荧幕非常大,可以把整个宇宙当中的事物都表达出来,相当于全息摄影或者是3D。如果假定半径是有限的,做一个非常简单的练习,就是拿光速的平方除半径,得到的就是刚才的10的负8次方厘米每秒平方,你拿光速平方除以宇宙的半径,得到的加速度就是这样。我感觉一点都不奇怪,这就告诉我们,我们的宇宙可能真是有限的,而且宇宙在加速膨胀,在很大程度上违反了万引动力,原因是因为我们有全息屏在那。

我2004年提出来一个全息暗能量理论,有可能宇宙是全息的,在这个全息的想法之下,宇宙在不停的膨胀,只是相邻的两个物体之间存在着万有引力,比如地球,地球对我们有重力,地球拉着月亮是万有引力,太阳拉着地球也是万有引力,当两个星系相距很远,比如50亿光年,你就发现慢慢这个引力被克服了,就是说有一个无所不在的斥力,这个斥力是暗能量产生,在我们这个领域,实际上是因为有一个巨大的全息屏,物体相距比较遥远的时候,它体现的是加速度,是一个斥力。

前年有一个荷兰物理学家叫埃里克·韦尔兰德,他在2010年提出,基本力其实是熵力。这个理论看上去很厉害的样子,我今天也不想把大家讲懂,我只是告诉大家,为什么万有引力可以认为是一个全息呈展出来的力。这就从熵讲起,熵一个系统的混乱度,比如我们看上面两个点阵,一个点阵是非常规矩的,相聚一个单位的长度,是一个正方形的格点,这个点阵是非常规矩的。换句话说,我们从这里面读不到什么东西,因为非常规矩,所以我们就说它的混乱度等于0,熵等于0。后面的这些点很乱,也得不到任何信息,这时候它的混乱度就不等于0了,或者说熵大于0。我们这个世界,要遵从所谓的热力学第二定律,实际上很简单,就是一个固定的系统,它的混乱度不会变小,只可能保持不变或者越来越大。我们的经验告诉我们确实如此,比如我们听完音乐,会把耳机线归饬起来,通常是整理得很好放在兜里,可是过了几个小时或者过了几分钟,拿出来的时候发现乱了。

原因是什么?一个系统总是趋向于更加混乱的,这就是熵增原理。我们物理学家说,这里面有一个看不见的力,我们把它称作熵力,熵力使得熵变大。在日常生活里,熵力看起来比较抽象,实际上是非常实在的。就像一个橡皮筋,拉的时候需要用力,物理学家会问,这个弹性力是怎么来的,通常我们说,橡皮筋是分子和原子组成的,弹性力是分子和分子之间的吸引力加起来的。可是答案非常令人惊讶,不是,而是熵力。换句话说,当橡皮筋从长变短的时候,橡皮筋里面的分子、原子的排列更加混乱,它的混乱变大了,熵变大了,产生的力就是弹性力。这个弹性力在科学上也用到了,比如说研究高分子的人发现,高分子也是有点像橡皮筋一样,会发现高分子之间有一个弹性力也是熵力,完全遵从数学给出来的公式,我讲的还不是定性的东西,是定量的东西。

活字,一堆字,按照语法来排序,这些字形成一段话,这些话有信息,比如这段信息是相关于我今天来参加Thinkplus演讲会,得到什么收获,非常规矩,这时候是非常有规矩的,不混乱,但是含有信息。如果把这些字打乱以后,信息量等于零,但是熵变大了。非常遗憾的是,整个宇宙从规律变成不规律。人是携带信息量变大,我们的身体会越来越有序,大脑会越来越有序,但这并不是说我们破坏了热力学第二定律,而是让我们周围变得更加混乱。这也是我们节能的原因之一,因为我们让自己变得有序,结果是让周围变得更加混乱。

回到我们的世界里,如果我们假想有一个二维屏幕在那,当两个物体靠近的时候,这两个物体相距不是太远,它会有万有引力,这个万有引力从全息屏上看,在全息屏里熵是变大了,当两个物体靠近的时候,我们全息屏上熵是变大了。同样,当两个星系相隔很远,之间存在万有斥力,熵是变大了。我们可以把万能量和万有引力统一在一个理论上面,叫熵力。所以你会发现宇宙是两维的。

做理论的人是比较讨厌的,研究恐龙的说我提出假说,在物理里面假说就是理论,提出理论以后,如果逻辑上没有毛病,数学上没有毛病,是可以通过审稿,可以发表。并不是说你被承认了,你要被承认的话,就要验证对不对。我现在要做的工作是验证这个理论,但是验证这个理论的代价特别大,我们要等很多亿年才能做,我并不是把这个验证看得非常严肃,我以后也要写其它论文,想办法在最近两年完成。这个计算很简单,就是把我们以前观测到的资料,收集所有关于宇宙的资料放在一起,然后计算宇宙以后会怎么样,因为我们现在不是说在做加速膨胀吗,它是不是一直会加速下去呢?还是说它的加速度也会变大,有加加速度,那就很可怕了。加加速度出来以后,很可能这个宇宙是非常可怕的,到最后在有限的时间内发生倒撕裂。换句话说,两个星系之间可以撕开,星系里面的恒星也撕开,到最后地球从太阳系里面被撕出去,最后月亮从地球撕出去,地球也被扯开了,完全毁灭了。我们算一下,如果我们老老实实把宇宙观测数据拿出来,老老实实演算,确实得到一个不太美妙的结论,虽然说2012年是世界末日,我们不相信,很有可能在100多亿年以后,宇宙会被大撕裂,这是可能的,最多最多在167亿年会被撕裂,也存在永远不撕裂的可能。

前几天我在邮件里收到科大一个同事给我一封信,他说凤凰科技网有一个翻译的新闻报道,他说中国一帮科学家预言世界会大毁灭,是167亿年,然后我进去一看,提到了中国科技大学,这是我学生所在单位,提到中国科学院理论物理研究所,是我所在的单位,提到东北大学和北京大学,我发现是我的一个年轻同行,东北大学的一个教授,他同时在北大做访问学者,我一看这是我们的文章,再一找,这篇文章由于非常吸引人眼球,预言了世界有可能毁灭,所以英国的每日邮报就登了一篇文章,就是说你现在可以把你的钟调好了,世界要毁灭,宇宙至少还需要167亿年的时间才会毁灭。

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