布賴恩·格林

像斯蒂芬·霍金、卡爾·薩根一樣,格林善於將深奧的科學理論用淺顯易懂的話語向大眾解説。格林還是一名科普明星，因其知識淵博和迷人的風範，他成為眾多媒體追逐的熱點人物並參演了多部紀錄片和影視劇。格林在科普上的最大貢獻是向公眾普及了弦理論。1999年,他的出版了介紹弦理論的通俗讀物《宇宙的琴絃》(The Elegant Universe)，該書全球銷量達一百多萬冊，曾在紐約時報的暢銷書排行版上名列第四，併入圍普利策獎的最終評選，2000年獲英國皇家學會科普圖書獎。根據該書製作的紀錄片曾三次獲得艾美獎提名，最終獲得皮博迪獎。2004年,作者推出《宇宙的構造:空間、時間與現實的結構》(The Fabric of the Cosmos:Space,Time,and the Texture of Reality)。該書的問世,使他再度成為大眾矚目的焦點,在該書中，格林將玄之又玄的"弦理論"、不可思議的"時間旅行"、十一維空間和宇宙圖景向我們娓娓道來。2008年，他和妻子特蕾西·戴發起創辦世界科學節。2011年，他出演《生活大爆炸》第四季第二十集，在劇終向聽講者（謝耳朵也在裏面）講解了新書《隱藏的宇宙：平行宇宙是什麼》，該書出版後連續數月蟬聯亞馬遜同類書籍排行版首位。

1963年，出生於紐約市。父親艾倫·格林是一位作曲家，母親從事獸醫工作。

1975年，12歲，在哥倫比亞大學博士生奈爾·比迪遜（Neil Bellinson）的指導下學習高等幾何和數論。

1980年，17歲，考入哈佛大學。

1984年，21歲，本科畢業；獲得羅德獎學金，在英國牛津大學攻讀博士，師從格拉漢姆·羅斯。

1986年，23歲，在《物理快報B》上發表了第一篇論文，題為《Supersymmetric Cosmology With A Gauge Singlet》；博士畢業後返回哈佛大學，成為博士後。

1990年，27歲，在《核物理學B輯》上發表了一篇題為《Duality In Calabi-Yau Moduli Space》的論文，至今已被引用300餘次；成為康奈爾大學的物理教師。

1995年，32歲，成為正教授。

1996年，33歲，成為哥倫比亞大學的物理系和數學系的教授。

1999年，36歲，出版科普讀物《宇宙的琴絃》，入圍普利策獎（非虛構類），全球銷量超過一百萬冊。

2000年，37歲，《宇宙的琴絃》獲得英國皇家學會科普圖書獎；在電影《黑洞頻率》中飾演自己；在電影《Maze》中飾演路人。

2003年，40歲，與PBS合作拍攝了3集紀錄片《優雅的宇宙》（有興趣可以在紀錄片之家中載到後觀看，但請支持正版）。

2004年，41歲，出版科普讀物《宇宙的結構》；成為紐約時報的專欄作者。

2007年，44歲，在電影《魔力的玩具盒》中飾演一名科學家。

2008年，45歲，出版科幻讀物《時間邊緣的伊卡洛斯》。

2010年，47歲，《時間邊緣的伊卡洛斯》被拍成同名電影。

2011年，48歲，與PBS合作拍攝4集紀錄片《宇宙的構造》；出版科普讀物《隱藏的現實》；出演美劇《生活大爆炸》第四季第二十集，並在劇中宣傳《隱藏的現實》一書。

2012年，49歲，獲得美國物理教師協會的特邁爾紀念獎。

廣義相對論描述的是大質量物體，如星體及星系；量子物理描述的則是原子及更小的粒子以及他們間的基本作用力及平滑時空（電磁力、強力和弱力）和微觀下時空劇烈的量子漲落

弦理論會吸引這麼多注意，大部分的原因是因為它很有可能會成為終極理論。目前，描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論在根本上有衝突，廣義相對論的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾，這意味着二者不可能都正確，它們不能完整地描述世界。

弦理論將實現愛因斯坦的夢想，弦理論認為我們生活的宇宙是現實與科幻交織而成，這是一個11維的宇宙，而平行的世界觸手可及。弦理論的基本理念簡單的出奇，它認為世界萬物，無論是微小的粒子還是最遙遠的星球都由同一種元素組成 —— 一種小到無法想象且帶有能量震動的細絲，也叫作弦。就如大提琴上的弦一樣可以演奏出大量不同的音符，在弦理論中這種微小的弦以大量的不同方式振動着，從而組成了自然界的萬事萬物，也就是説整個世界如同一隻浩大無匹的宇宙交響曲在一切這種細小能量絲振動發出的各種音符中轟然奏響。

弦理論尚在萌芽期，但它卻展現了徹底嶄新的宇宙圖景。基礎物理學的整個目標——就是試圖將越來越多的世界表象歸結為越來越少，越來越簡單的法則，一種囊括大量不同類型物理現象的理論。1655年艾薩克·牛頓重新描繪了我們的宇宙背景，在他那個時代裏一次大膽的猜想中，牛頓聲稱將蘋果拉向地面的力與維持月球繞地球公轉的力實際是同一種力，並命名為引力，這種法則將天上與地下統一在一起也是這種法則統治着行星運動，潮漲潮落以及我們身邊蘋果的落下，這是對我們眼中自然界的一次美妙的統一。引力是科學上第一種被瞭解到的力，最終又有三種力隨之發現（電磁力、強力和弱核力），雖然牛頓發現了引力法則，遠在300年前，但他用來描述這種力的公式的預言如此精準，至今我們仍在沿用（比如如何讓火箭上天，需要多大速度擺脱地球引力），但這力有個問題，雖然他的公式精確的描述了引力的強度但卻有個尷尬的問題——引力是如何產生的呢？

直到20世紀初，瑞士專利局辦公室裏一名默默無聞的小職員才改變了這一切。 他一邊審閲着專利申請一邊思考着光的特性，愛因斯坦卻從未料到他對光的思考引領他解開牛頓的迷題——什麼是引力。26歲時愛因斯坦就有驚人的發現，即光速是一種宇宙速度的極限，宇宙中沒有任何一種速度超過它，但是愛因斯坦公開他的發現不久，他就發現與引力之父之間發生了矛盾。問題在於認為沒有任何速度可以超過光速的理念與牛頓的引力理論相互衝突，為了理解這種矛盾，我們可以做一個實驗——假設發生一場宇宙災難，想象一下突然之間毫無徵兆的，太陽不見了 ，徹底的蒸發 。那麼現在根據牛頓理論它會對星球產生什麼影響呢？

根據牛頓理論預言隨着太陽的毀滅，星球馬上會脱離它們的道傾斜着飛出軌道，也就是説牛頓認為引力是超越任何距離瞬間的作用，所以我們馬上會感到太陽消失帶來的效果。

但是愛因斯坦發現了牛頓理論的一個問題，通過他對光線的研究，愛因斯坦發現光並不是瞬時傳播的，實際上太陽的射線穿越九千三百萬英里射到地球上，大約需要8分鐘，由於他已經證明了沒有任何東西哪怕是引力會比光速快，那麼地球怎麼會在沒有因為太陽消失的影響陷入黑暗前就從自己的軌道上脱離呢，愛因斯坦認為比光跑的更快的東西是不存在的，這也就意味着250年來的牛頓引力理論是錯誤的！那麼牛頓錯了，行星們有是如何運行的呢。

於是經過十年的探索他用一種新的統一方式得出答案，他開始思考一種三維空間以及一維的時間共同構成一種模式“時空”，通過這種四維時空的幾何構造，就能簡單的談到將事物沿着這一時空構造的表面平移，如同蹦牀表面一樣，這種統一的結構可以被質量大的物體如星球彎曲和延展，而正是這種扭曲或弧形的時空造成了我們所感覺到的引力。一個類似地球的行星沿着軌道運動並不是牛頓理論所言因為太陽發出的持續不斷的引力抓住了它，而僅僅是因為它隨着由太陽造成的空間結構的曲線在運動。那麼在重複上面的實驗，當太陽突然消失時會發生什麼呢？

太陽消失，引力的擾動將會造成沿着空間結構延伸的一道波，就猶如在湖心投進一顆石子，造成漣漪在水面盪漾開去，所以在這道波到達之前我們感覺不到任何事情，地球仍在軌道上。此外，愛因斯坦計算出這種引力的波正是以光的速度傳播，於是採用這種新方法愛因斯坦解決了與牛頓之間關於引力傳播速度的矛盾，更重要的是愛因斯坦描繪出了一個新的世界來説明引力的本質，那就是一個由時間和空間組成的曲面和弧面結構，愛因斯坦把這種對引力的新的描繪稱之為“廣義相對論”。

【科學美國人 中文版；何毓嵩 譯；曾少立 校】物理學家、《優雅的宇宙》作者布賴恩·格林（Brian Greene）訪談錄

過去一談到弦論，人們就感到頭暈腦脹，就算是弦論專家也煩惱不已；而其他物理學家則在一旁嘲笑它不能做出實驗預測；普通人更是對它一無所知。科學家難以同外界説明為什麼弦論如此刺激：為什麼它有可能實現愛因斯坦對大統一理論的夢想，為什麼它有助於我們深入瞭解“宇宙為何存在”這樣深奧的問題。然而從1990年代中期開始，理論開始在觀念上統合在一起，而且出現了一些可檢驗但還不夠精確的預測。外界對弦論的關注也隨之升温。今年7月，伍迪·艾倫在《紐約人》雜誌的專欄上以嘲弄弦論為題材——也許這是第一次有人用“卡拉比-丘”空間理論來談論辦公室戀情。

談到弦論的普及，恐怕沒有人能比得上布賴恩·格林。他是哥倫比亞大學的物理學教授，也是弦論研究的一員大將。他於1999年出版的《優雅的宇宙》（The Elegant Universe）一書在《紐約時報》的暢銷書排行榜上名列第四，併入圍了普利策獎的最終評選。格林是美國公共電視網Nova系列專輯的主持人，而他近期剛剛完成了一本關於空間和時間本質的書。《科學美國人》的編輯George Musser最近和格林邊吃細弦般的意大利麪邊聊弦論，以下是這次“餐訪”的紀要。

SA：有時我們的讀者在聽到“弦論”或“宇宙論”時，他們會兩手一攤説：“我永遠也搞不懂它。”

格林：我的確知道，人們在一開始談到弦論或者宇宙論時會感到相當的吃力。我和許多人聊過，但我發現他們對於這些概念的基本興趣是那麼的廣泛和深刻，因此，比起其他更容易的題材，人們願意在這方面多花點心思。

SA： 我注意到在《優雅的宇宙》一書中，你在很多地方是先扼要介紹物理概念，然後才開始詳細論述。實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力。

格林：我發現這個法子很管用，尤其是對於那些比較難懂的章節。這樣一來讀者就可以選擇了：如果你只需要簡要的説明，這就夠了，你可以跳過底下比較難的部分；如果你不滿足，你可以繼續讀下去。我喜歡用多種方式來説明問題，因為我認為，當你遇到抽象的概念時，你需要更多的方式來了解它們。從科學觀點來看，如果你死守一條路不放，那麼你在研究上的突破能力就會受到影響。我就是這樣理解突破性的：大家都從這個方向看問題，而你卻從後面看過去。不同的思路往往可以發現全新的東西。

SA： 能不能給我們提供一些這種“走後門”的例子？

格林： 嗯，最好的例子也許是維頓（Edward Witten）的突破。維頓只是走上山頂往下看，他看到了其他人看不到的那些關聯，因而把此前人們認為完全不同的五種弦論統一起來。其實那些東西都是現存的，他只不過是換了一個視角，就“砰”地一下把它們全裝進去了。這就是天才。 對我而言，這意味着一個基本的發現。從某種意義上説，是宇宙在引導我們走向真理，因為正是這些真理在支配着我們所看到的一切。如果我們受控於我們所看到的東西，那麼我們就被引導到同一個方向。因此，實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力，無論是真的洞察力還是數學上的洞察力，看是否能夠將東西以不同的方式結合起來。

SA： 如果沒有天才，你認為我們會有這些發現嗎？

格林：嗯，這很難説。就弦論而言，我認為會的，因為裏面的謎正在一點一點地變得清晰起來。也許會晚5年或10年，但我認為這些結果還是會出現。不過對於廣義相對論，我就不知道了。廣義相對論實在是一個大飛躍，是重新思考空間、時間和引力的里程碑。假如沒有愛因斯坦，我還真不知道它會在什麼時候以什麼主式出現。

SA：在弦論研究中，你認為是否存在類似的大飛躍？

格林：我覺得我們還在等待這樣一種大飛躍的出現。弦論是由許多小點子彙集而成的，許多人都做出了貢獻，這樣才慢慢連結成宏大的理論結構。但是，高居這個大廈頂端的究竟是怎麼樣的概念？我們現在還不得而知。一旦有一天我們真的搞清楚了，我相信它將成為閃耀的燈塔，將照亮整個結構，而且還將解答那些尚未解決的關鍵問題。相對論是對時間和空間重新思考的里程碑，我們正在等待另一次這樣的飛躍。

SA：讓我們來談談環量子理論與其他一些理論。你總是説弦論是唯一的量子引力論，你現在還這麼認為嗎？

格林：呃，我認為弦論是目前最有趣的理論。平心而論，近來環量子引力陣營取得了重大的進展。但我還是覺得存在很多非常基本的問題沒有得到解答，或者説答案還不能令我滿意。但它的確是個可能成功的理論，有那麼多極有天賦的人從事這項研究，這是很好的事。我希望，終究我們是在發展同一套理論，只是所採用的角度不同而已，這也是施莫林（Lee Smolin）所鼓吹的。在通往量子力學的路上，我們走我們的，他們走他們的，兩條路完全有可能在某個地方相會。因為事實證明，很多他們所長正是我們所短，而我們所長正是他們所短。弦論的一個弱點是所謂的背景依賴（background-dependent）。我們必須假定一個弦賴以運動的時空。也許人們希望從真正的量子引力論的基本方程中能導出這樣一個時空。他們（環量子引力研究者）的理論中的確有一種“背景獨立”的數學結構，從中可以自然地推導出時空的存在。從另一方面講，我們（弦論研究者）可以在大尺度的結構上，直接和愛因斯坦廣義相對論連接起來。我們可以從方程式看到這一點，而他們要和普通的引力相連接就很困難。這樣很自然地，我們希望把兩邊的長處結合起來。

SA：在這方面有什麼進展嗎？

格林：很緩慢。很少有人同時精通兩邊的理論。兩個體系都太龐大，就算你單在你的理論上花一輩子時間，竭盡你的每一分每一秒，也仍然無法知道這個體系的所有進展。但是現在已經有不少人在沿着這個方向走，思考着這方面的問題，相互間的討論也已經開始。

SA：如果真的存在這種“背景依賴”，那麼要如何才能真正深刻地理解時間和空間呢？

格林：嗯，我們可以逐步解決這個難題。比如説，雖然我們還不能脱離背景依賴，我們還是發現了鏡像對稱性這樣的性質，也説是説兩種時空可以有相同的一套物理定律。我們還發現了時空的拓撲變化：空間以傳統上不可置信的方式演化。我們還發現微觀世界中起決定作用的可能是非對易幾何，在那裏座標不再是實數，座標之間的乘積取決於乘操作的順序。這就是説，我們可以獲得許多關於空間的暗示。你會隱約在這時看見一點，那裏又看見一點，還有它們底下到底是怎麼一回事。但是我認為，如果沒有“背景獨立”的數學結構，將很難把這些點點滴滴湊成一個整體。

SA：鏡像對稱性真是太深奧了，它居然把時空幾何學和物理定律隔離開來，可過去我們一直認為這二者的聯繫就是愛因斯坦説的那樣。

格林：你説的沒錯。但是我們並沒有把二者完全分割開來。鏡像對稱只是告訴你遺漏了事情的另一半。幾何學和物理定律是緊密相連的，但它就像是一副對摺開的地圖。我們不應該使用物理定律和幾何學這個説法。真正的應該是物理定律與幾何-幾何，至於你願意使用哪一種幾何是你自己的事情。有時候使用某一種幾何能讓你看到更多深入的東西。這裏我們又一次看到，可以用不同的方式來看同一個物理系統：兩套幾何學對應同一套物理定律。對於某些物理和幾何系統來説，人們已經發現只使用一種幾何學無法回答很多數學上的問題。在引入鏡像對稱之後，我們突然發現，那些深奧無比的問題一下子變得很簡單了。理論上可以導出許多不同的宇宙，其中我們的宇宙似乎是唯一適合我們生存的。

SA：弦論以及一般的現代物理學，似乎逼近一個非如此不可的邏輯結構；理論如此發展是因為再無他路可走。一方面，這與“人擇”的方向相反；但是另一方面，理論還是有彈性引導你到“人擇”的方向。

格林：這種彈性是否存在還不好説。它可能是我們缺乏全面理解而人為造成的假像。不過以我目前所瞭解的來推斷，弦論確實可以導出許多不同的宇宙。我們的宇宙可能只是其中之一，而且不見得有多麼特殊。因此，你説得沒錯，這與追求一個絕對的、沒有商量餘地的目標是有矛盾的。置身於弦宇宙，時空可能像這樣：另有6維捲曲在所謂的“卡拉比-丘空間”內。

SA：如果有研究生還在摸索，你如何在方向上引導他們？

格林：嗯，我想大的問題就是我們剛才談到的那些。我們是否能窮究時間和空間的來源？我們能否搞清楚弦論或M理論的基本思想？我們能否證明這個基本思想能導出一個獨特的理論？這個獨特理論的獨特解，也就是我們所知的這個世界？有沒有可能借助天文觀測或加速器實驗來驗證這些思想？甚至，我們能不能回過頭來，瞭解為什麼量子力學必然是我們所知世界不可或缺的一部分？任何可能成功的理論在其深層都得依賴一些東西：比如時間、空間、量子力學等，這其中有哪些是真正關鍵的，有哪些是可以省略掉仍能導出與我們世界相類似的結果？

物理學是否有可能走另一條路，雖然面貌完全不同，但卻能夠解釋所有的實驗？我不知道，但是我覺得這是個很有意思的問題。從數據和數學邏輯出發，有多少我們認為基本的東西是唯一可能的結論？又有多少可以有其他可能性，而我們不過是恰恰發現了其中之一而已？在別的星球上的生物會不會有與我們完全不同的物理定律，而那裏的物理學與我們一樣成功？ ^[1] 

“四方上下曰宇，古往今來曰宙”，宇宙是時空的連續系統，其中充滿了物質和能量。但物質和能量是怎麼處於時空中的呢？布賴恩解釋説，超弦理論認為構成萬事萬物的基本成分是以不同頻率振動的弦，不同振動能量弦構成了不同的粒子，從而產生不同的物質和能量。這猶如琴絃以不同方式振動產生各種音符，進而構成不同的樂曲。

其中，物體之間通過“力”相互作用。牛頓發現了萬有引力定律，但引力從何而來？愛因斯坦認為“扭曲的空間”導致了引力的產生。試想沒有物質的空間是一塊細緻扁平的布，加入物質如太陽後，空間發生類似織布的扭曲，於是，地球就圍繞着太陽造成的曲面旋轉。德國的數學家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）在此基礎上也用“扭曲”來描述電磁力。由於愛因斯坦已用三維空間為模型構建的方程式組描述了重力，卡魯扎就加入一個新維度，來解釋電磁力。那麼，空間的額外維度在哪裏？ 瑞典物理學家奧斯卡·克萊因（Oskar Klein），維度有大小之分。我們能很容易地感知大維度，但對於捲曲在我們周圍的小維度則很難被感知。

維度和超弦理論有什麼關係呢？超弦理論中的方程式在三維空間上不成立，四維上也不成立，只有在十個空間維度和一個時間維度上，超弦理論才能被解釋。要合理地描述這個世界，只憑我們能感知的三維空間是不行的，需要加入有着錯綜複雜幾何形狀的額外維度。

如何證明這些額外維度的存在呢？在歐洲大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中相撞的粒子，如果撞擊的能量夠大，可能會使部分殘骸進入額外維度，在我們這個維度中的能量就會減少，從而證明額外維度的存在。

布賴恩説，為了將重力、量子力學、電磁力學統一起來，宇宙中必須擁有更多的維度，而在他有生之年，這些額外維度有可能就被證實，這是多麼偉大的時刻和機遇。

科幻中，平行世界、鏡像宇宙和時間旅行等總讓我們充滿遐想，但似乎現實更加科幻。想像一下，我們每時每刻都會穿越超小的額外維度，卻如同呼吸空氣一樣，渾然不覺。不過，為什麼額外維度為什麼是小維度？我們就能感知所有的大維度嗎？不存在更多的維度嗎？我們所處的世界真是妙不可言。 ^[2]