优雅的宇宙 The Elegant Universe(2003)
又名: The Theory of Everything / PBS 优雅的宇宙
导演: Julia Cort Joseph McMaster
主演: Michael Duff Brian Greene Michael B. Green
类型: 纪录片
上映日期: 2003-10-28
集数: 3 单集片长: UK: 60 分钟 / USA: 180 分钟 IMDb: tt0377171 豆瓣评分：9 下载地址：迅雷下载
简介：
- 一连三集《优雅的宇宙》探讨二十世纪物理学一项重大发现－弦理论（String Theory），从爱恩斯坦到现代在「弦理论」上的发展过程，深入浅出地作出介绍。「弦理论」提到宇宙原本有十一次元空间，及后发生了一场爆炸，使当中一些次元收缩到基本粒子的空间之中，造成天文物理学家在观测天象时出现差距。
演员：
影评：
- 三个短片看下来，最大的感触是数学的强大以及物理学的美丽。然后不停地慨叹，为什么在我们很多人的头脑中物理和数学都是极其可怕的东西，翻开物理书那一刻沉重的心情我依然清晰记得。
以前有人说在中国20年之内很难有学者摘得诺贝尔奖（和平奖除外）。李开复就这个问题也阐述了美国大学的科研模式。但其实我心中有个疑问，在所谓的“搞科研”的团队里到底有多少人是出自对科学的热爱？如果缺少那最重要的内驱力，他们又能在这条艰辛的道路上走多远呢？
我想在中国成长起来的小孩子大都有我这种经历：在我们还没有辨识能力的中小学，数学、物理、化学就是用来考试的，生活中除了100以内的加减法外加打折时百分数乘法，我不知道数学还有什么用。至于说物理，天天拼了命的算小车的加速度，也始终搞不明白自己做的那些功怎么就没让名次前进一点点。这样的教学氛围下，真心喜欢数理化的人很少，即便是喜欢恐怕也是因为学得好能拿高分，所以有成就感。但之后呢，依旧是迷茫。如果当年在学这些东西之前，有人给我们介绍一下数学的强大——它几乎是贯穿了各个科学领域，光是一个0和一个1就改变了世界，更不用说强大的微积分支撑了整个物理学，概率论影响着经济学社会学等诸多领域。还有物理学，除了小车有加速度以外，物理学还会探讨宇宙中的黑洞，世界或许是11维的，时间和空间的穿越……反正是玄妙得不得了。
原来科学如此美丽有趣。为什么要把这么好的东西“妖魔化”？！当然，能把那些枯燥的理论拍成这么通俗易懂又趣味十足的科普片，制作方功底不凡。 - 我尝试阅读霍金的《时间简史》已经两三次了。尽管这是号称该领域最粗浅的入门书籍（全书只写了一个公式），尽管我也自诩读了大学理工科数学和物理都学的还不错，我仍然未能完成对此书的阅读。
当然了第一次试图读它大概是初中了，看到相对论就开始晕了，把狭义的看个略懂，广义就糊涂了；后来大概是高中有阵子又读了次（大概是物理书上和找资料又看了下相对论），广义相对论也略懂了，到量子力学却不行了。作罢。
后来我偶尔心血来潮还是会到网上查阅相对论和量子力学的资料，尤其后者有时候带着点哲学意味蛮有意思。但《时间简史》还没机会再拾起来看，更不用说霍金后来写的涉及到弦理论的《果壳中的宇宙》。（我不觉得除了权威性，霍金会是个好的科普作者。）
今天看了下躺硬盘很久了的《The Elegant Universe》，PBS的Nova系列之一。整理下自己的理解。
1. 牛顿的万有引力定律和经典力学解释了身边乃至天体的运行。
2. 爱因斯坦搞出了狭义相对论，适用于高速运动的物体。认定光速是速度的极限。发现一个问题：根据万有引力公式，力的大小随着质量变化即时改变，速度没有受光速限制。
（我有点怀疑这一问题的假设前提，质量应该是守恒的所以似乎不存在质量突变导致引力突变这般的传递。这个问题可以再深究一下，不过貌似在某些比较“高级”的情况下质量和能量是可以互相转化的。）
3. 于是爱因斯坦搞出了广义相对论，认为引力也是有传播速度的，并且传播速度等于光速。
4. 麦克斯韦用四个方程统一了电和磁（即传说中的“麦克斯韦方程组”），所以它们实际上是同一个东西，统称为电磁力。电磁力实际远远远大于引力的作用，我们所说的摩擦力、压力什么的实际都是电磁力，原子和原子间的斥力（电荷作用）。
5. 目前为止，基本上我们认识的所有力都可以归结为引力或电磁力。但是我们觉得，既然都是力，可以想办法把它们弄成一种，这样的话宇宙就显得很简洁很和谐。爱因斯坦晚年基本都在干这事。未遂。
6. 新的问题出现了。我们发现原子有个原子核，由质子和中子构成。但是它之所以是原子核而不是分散的质子和中子，是有原因的，它们之间有种力，既不是引力也不是电磁力。于是我们称之为强核力，简称强力，这是第三种基本力了。
7. 我们还发现粒子衰变会辐射，这是与前面三种又不同的力。于是我们称之为弱核力，简称弱力。（真正的）目前为止，我们有这四种基本力。我们的目标是把它们都同一起来。
8. 强力和弱力我们在日常中是观测不到的，它们属于微观世界。但是我们在微观领域遇到了新的问题，量子力学。量子领域是如此诡异，以致爱因斯坦都始终不肯承认，他认为“上帝不会掷骰子”。
9. 但是我们确实在量子领域发现了新的情况，很多事情不是确定的，而是概率的、随机的。有个著名的“测不准原理”，大意是，你观测到它的速度就不知道它的位置，观测到它的位置就无法知道它的速度。略有哲学意味的是，你的观测实际会影响观测结果了。而你未观测的话，它就是多种状态共存的，平行宇宙的科幻概念就是这么衍生的。
10. 尽管爱因斯坦后来对其视而不见，但量子力学还是发展得很好。事实上，宏观世界主要研究就在广义相对论，而微观世界都是量子力学。两者不相往来，在各自的领域都很正确，却无法沟通或相互解释。这就是我们所希望的，它们能够统一起来。
11. 也许有人会说，一套理论用宏观，一套理论用微观，这也挺完美啊。但是不。且不说你如何界定宏观和微观，怎么处理边缘尺度，还有个现实（好吧几乎现实）的问题——黑洞。当很大很大的质量缩到很小很小的点，就会曾为一个光都逃逸不出的黑洞。问题来了，它质量很大，宏观吧，它体积很小，微观吧。所以目前黑洞的奇点在哪一套理论中都是无解，我们对那里的情况一无所知。
12. 弦理论流行了，似乎能将上面说到的四种力统一起来。基本上是这样的：所有的粒子都是由能量弦的振动构成的，而我们的空间实际有11维。（好吧，我也不大知道在讲什么，后面还没看。） - 接着上回，对弦理论终于有些略懂了。
1. 考虑一个问题，空间究竟是什么？传统理论认为空间是连续而平滑的。我们可以暂且抽调一个维度，想象一张纸。纸的两个角落各有一个点，如此一来它们之间最短的距离是一条直线段，但是，等等，我们可以把纸稍微对折一下，如果这时有个“通道”可以从空中把两个点连起来，那将是更短的路径。那种东西，便称为虫洞。
2.实际上我更愿意想象我们的宇宙是一个“超球面”，它有限大，却没有边界。类比某种二维小生物或在一个巨大的球面上。这么一来你便可以理解虫洞，其实就是往球内部钻个洞，捷径。好吧，这主要是我个人的理解。
3.根据爱因斯坦的理论，虫洞或许存在——那是宇宙的一部分——但我们无法创造新的虫洞。你或许可以扭曲空间，但没法将它撕裂。但弦理论却不这么认为。
4.我们可以回顾一下量子世界，其实那里就是一个空间四处破裂的地方，粒子出现的状态不是连续的。那为何这些小小的空间断裂没有引起一场宇宙灾难呢？这就是弦理论一个有意思的地方，一条（闭合）弦在空间中滑动，它的轨迹形成一条“管道”，正是这些管道保护了空间的裂口们。
5.1980+，弦理论发展起来后，学者们争相加入这个行列，于是弦理论迅速得到发展，但结果我们得到了五个不同但均可行的弦理论版本。既然我们追求的是大一统，自然应该要只有一套理论。
6. 这个时侯，某个强悍的人物出现了——威登（Ed Witten），他被认为当今在世的最杰出的物理学家之一，甚至可能成为爱因斯坦的接班人。是的，许多自命不凡的物理学家都不得不承认威登比他们更天才。 1995年，世界各地的弦学家聚集在南加州大学的年会。就是此时此地，威登发表了他著名的演说，称他考虑了不同版本弦理论的问题，并解决了，而且他将给出每套弦理论中每一维的解。他做到了。物理学界震惊了。
7.是的，威登统一了弦理论。他以一个全新的角度来看待弦理论，原先以为的五套弦理论，不过就像是弦理论的五个不同镜像，实际我们一直在以五个角度看待着同一个事物。威登将这套统一的弦理论命名为“M理论”（M Theory）。
8.“M 理论”实在是一个有趣的名字，因为看起来到现在这些物理学家们也没人知道“M”代表什么。普遍的猜测是：“Mystery Theory”、“Magic Theory”、“Mother Thoery”、“Matrix Theory”、“Monstrous Theory”……也有人认为M不过是W（Witten首字母）倒过来而已。或者认为M理论代表的是“Murky Theory”……
9. 我们终于又有了用一套理论解释全宇宙物理的希望。但是M理论需要11维时空（1维时间+10维空间），而原本通常是10维。我们感觉不到那么多维度是因为我们确实不能。但是我们可以想象，比如我们看电影，里头演的都是三维的，但实际他只是投影在一个二维平面。（自己类比一下……）
10.人们进而发现，弦理论中的物体并不仅仅是弦而已，还有“膜”（membrane或brane）。是的，拜威登新增的一个维度所赐，弦也可以延展成膜。膜可以是三维的或者更多。如果有足够能量，膜可以长到很大，甚至一个宇宙那么大……（囧。）
11.弦理论越来越标新立异，不仅有弦，还有膜。事实上，尽管人们依然称之为弦理论，但弦学家们自己都不确定它还是一个关于弦的理论。
12. 巨膜和额外维度的存在，导致了一种新的可能：或许我们的宇宙就在一张膜上，而膜之外还有更大更高维度的空间。这样一来我们的宇宙可能只是一小薄片（slice），在某个大块（bulk）之中。也就是说可能还有其他“片”，其他宇宙。这就是传说中的“平行宇宙”啦（parallel universes）。这些其他的宇宙们（……）可能与我们所在的相似，也可能（物理定律上）完全不同。
13.这些宇宙存在M理论的额外维度上，实际就在我们身旁、我们之中，然而我们看不到摸不着。为何？因为假使说我们就在这张膜上，而组成我们的粒子们却无法离开这张膜。想象我们活在电影荧幕中的世界，那对于我们来讲，它是一个世界，对于荧幕之外，它不过是一块布。
14.从某种程度上来讲，这何尝不是我们宇宙的“边界”呢？多么奇特的概念，宇宙的边界就在我们身边。（请再想象一次活在电影萤幕中的世界里，随便哪里都是你的边界。）我们对整个宇宙的视野，被困在一张薄片之上。
15.有意思的是，这个理论还和引力有关。之前提到，引力是一种小得可怜的力（电磁力是它的10的39次方倍）。为何引力如此之小？答案是，或许它并不小，只是我们感受不到那么强，因为它的作用可能并不局限于我们这张“膜”。
16. 那么，为何，凭什么引力就这么特殊呢？好吧，M理论也有答案：与弦的形状有关。多年来我们一直关注闭合环状的弦（像橡皮圈），但M理论出现之后，我们把注意力转移到其他形状的弦。现在我们认为，我们所看到的一切，物质、光，都是由开口的弦构成的，而弦的两端季在我们这张三维“膜”上。而闭合环的弦确实存在，其中一种便与引力有关——引力子。
17.我们看不到也触碰不着平行宇宙（其他膜、薄片），但也许有一天，我们可以通过引力来感知它们。理论上讲，引力波或将成为不同宇宙间沟通的手段。
18. 之前提过的，如今大多数理论物理学家都相信大爆炸理论，但所有的物理理论都在大爆炸之前的那个点失效，因为它质量几乎无限大，体积几乎无限小，广义相对论和量子力学都无法应对这样的情况，不再有意义。爆炸本身也有问题。那究竟是什么？传统的大爆炸理论并没有提及到底什么爆炸，爆炸前怎么了，是什么引起爆炸。
19.很多人都似乎愿意相信时间和空间有个起点，从无（nothingness）到有（somethingness）。但是，说真的，“无”是什么东西？“无”不是东西，甚至也不是空间，更不是时间。这简直是无法理解的概念。不管怎么说大爆炸理论在我们的感知上是有明显疑问的，弦理论怎么说呢？部分科学家认为，大爆炸其实是膜与膜之间的碰撞产生的。
20.这个有意思的构想也仍然有瑕疵：两片膜碰撞，究竟发生了什么？我们的理论在那一点同样失效。从这个意义上说，弦理论仍然没有解决大爆炸的难题。
21.弦理论更大的问题是它没法被实验证明或观测。有个希望是粒子高速对撞，产生引力子，然后消失——因为弦理论中引力子是闭合环状弦，可以“逃逸”出这张膜。（目前美国费米实验室和欧洲CERN都有希望。）
22.还有个弦理论的核心预测叫做“超对称性”（supersymmetry），说我们每个亚原子粒子，如电子、光子、引力子，都应该各有重的多的超（对称）粒子搭档，但至今没人见过。就算找到了也无法证明弦理论，但至少会显示我们像是在正确的道路上。
23.最后，弦理论可能是完全错误的理论。尽管它数学上、理论上很完美。人类迄今为止还没有在数学上如此优美的理论最终被发现是白费的。
24.了解之后，个人也挺喜欢弦理论，很多想法其实颇合我意。 - 接着上回说的，讲讲对弦理论的理解。
1.“我们有物理学家，也有弦学家”……弦理论目前没有任何实验可以验证。其理论本身也没有提供任何预测来待实验或观测验证。从这个角度来讲，它更像是一种信仰，而非科学。这点颇值得思考。
2.很容易想象这套理论最初来自某个数学方程式，实际也是如此，一个描述强力的方程式。后来某人发现了这个方程式描述的内容实际就像一条会伸缩、扭动的“弦”（string）。
3.彼时主流物理学界仍认为基本粒子是“点”，而非“弦”。他们通过高速撞击粒子，研究发现得到无数种新粒子（好吧，我夸张了），基本每隔几个月就有新的发现，甚至用了许多英文以外的字母。尽管这些粒子都与理论相符。
4.科学家们便做出猜测，“力”也是可以用粒子来解释。力的作用在于交换力的粒子——被称为信使（messenger）粒子。比如电磁力中，信使粒子便是“光子”。信使粒子交换得越频繁，力就越强。
5.实验证明了这套理论适用于电磁力、强力以及弱力。于是我们离四种力的统一，更近一步了。
6. 粒子物理学家们进而预测，大约140亿年前，宇宙比现在热得多得多，电磁力和弱核力之间的信使粒子变得难以分别。实验也证明，在大爆炸后那般极端高热的条件下弱核力和电磁力融合统一，称为“电弱”。物理学家们相信，在往前倒更热的条件下，电弱将和强力统一，成为“超强力”（super force，囧）。
7.尽管这三种力的统一（最后一点）还无法被证实，但从量子力学角度确实能解释这三种力如何作用的。这么一来，我们有了一套持续统一的基本粒子物理理论，包含了所有已知粒子和力，最终被命名为“标准模型”（Standard Model）。
8.等等，我们漏了引力……这时候我们又想起弦理论了。尽管被标准理论的光芒掩盖，但弦理论的先行者们仍然在不断努力着。
9.但是他们研究得越深，问题也就越多。早期的弦理论预测了一种“不物理”的粒子，叫做“快子”，它比光速还快……而且我们发现该理论需要十维的空间，令人十分困惑。同时还有一种无质量的粒子，实验中也是观测不到的。
10.某些人做了很多努力调整弦理论，但还是不行，直到有一天……嘿，这个方程式或许是在描述引力呢？（是的，他们之前没有考虑引力。）这么一来，就需要重新考虑这些微小能量（即“弦”）的大小。
11.设想弦在一个很小很小很小的尺度，那个令人觉得困惑的无质量粒子，变为了“引力子”（即传递引力的信使粒子）。然而这个发现这个理论，反响依然不大。
12.那个年代（1980+），弦理论仍存在大量的数学异常（anomalies），大致就是方程式得到的结论之间会相互矛盾。1984年，某两科学家（原谅我不记得你们的名字）计算发现弦理论没有所谓的异常。（WTF……）
13.于是弦理论在数学上来讲，可以包含四种力了。这下，弦理论终于惊天动地了，被视为“万有理论”（The Theory of Everything）。
14. 我们都知道原子。原子由电子和原子核组成。原子核由中子和质子组成。质子和中子由夸克（们）组成。而（能量）弦小得多（如果一个原子相当于太阳系大小，那弦就差不多地球上的一棵树大小），且是万物的最基本组成。正如同乐器上的弦不同振动模式（频率）下发出不同声音，能量弦的不同振动，成就了粒子不同的特性（质量、电荷之类）。
15.这么一来弦理论便可以解释一切了，从微观到宏观。毕竟不同的粒子之所以不同，只是因为弦的振动不同。然而这个理论最大的缺陷在于它无法被验证和观测。所以依然有物理学家抨击弦理论是一种哲学而非科学。
16. 人们更难理解的是弦理论涉及许多像是科幻中才有的东西，比如额外的维度。关于这个东西暂且用类比来解释吧，比如一根电线，远远看你只能看到一条线（一维），近点看你能看到它有宽度（二维），更近一点你发现它还有厚度（三维）。所以如果我们在弦理论那么那么小的范畴内讨论，确实有可能存在我们日常所不知悉的空间维度。
17，弦理论要求6个额外的空间维度。如果你缩小的那个尺度去体验，你不仅有前后、左右、上下三个方向可以运动，还有其他扭曲的空间维度。
18. 科学家们发现的宇宙基本常数大约有20个，电子重量、引力强度、电磁力强度等，这些参数成就了我们宇宙之所以是这么一个宇宙。这20个参数一旦变动，整个宇宙都将乱套，甚至不复存在。那这20个常量为何会是如此呢？很可能就因为那6个额外的维度，导致弦振动出不同的粒子。
19.多年来，弦理论有五个不同版本，皆有弦和额外维度，但细节全然不一致。有说弦是开口的，有说闭合的；有两个版本甚至要求26个维度。五个版本又似乎都很合理。究竟哪一套理论才是真正描述的我们这个宇宙？那其他几套理论呢？
（好吧，我基本按着《The Elegant Universe》第二集写的。请待下回分解。）