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果壳中的宇宙

作者:史蒂芬·霍金(英)
栏目:历史.地理
类别:国外
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书籍节选

书籍章节作者介绍
“果壳中的宇宙”典出莎士比亚的《哈姆雷特》。哈姆雷特在剧中吟唱道:即便把他关在果壳中,他仍然是无限空间之王。艺术和科学是息息相通的,莎翁和霍金本就是他们各自领域中的无限空间之王。宇宙学家霍金认为,整个宇宙是由一个高维果壳状的泡泡演化而来的,果壳上的皱纹(即量子扰动)在演化中产生了今天宇宙的所有结构。
  30多年来,世界上一批天才的头脑创建了一门叫做“弦论”的学科,其最新版本叫做M理论。弦论能解释所有已知的自然力(强力、弱力、电磁力和引力),所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间(霍金认为维数应是10维或11维)中的1维客体,弦的概念可以进一步推广到p胚,后者是高维空间的p维客体。霍金认为,时空就是一张推广了的“膜”,不过这张膜不是2维的,而是4维的。物理学家为此创造了一个新词brane,尽管这个词已被使用了十多年,目前似乎尚未被牛津词典收入,在我国的一些学术文章中将它译为“胚”。当p等于零时,胚就是点粒子;当p等于1时,胚就是弦;当p等于2时,胚就是膜(menbrane);而在一般情况下,就称为胚,即高维的“膜”。
  人们常说,弦论是一门21世纪的数学,却不幸地早产于20世纪 。所以,虽然人们已经讨论了弦论的许多性质,更知道它是一个真正了不起的理论,但要把弦论讲清楚实在不容易。弦论的基本假设是:不存在粒子,而只有弦在空间中运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。弦论假设只存在一种弦,而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦随时间运动时,它的轨迹不是一条线而是一根管子。两条弦还可以结合形成一条新弦,一条弦也可以分裂成两条。自然界中的一切相互作用,包括电子和光子的相互作用,都可以用弦的分裂和结合来解释。
  在研究的过程中,存在着五个不同种类的自洽弦理论,这与弦论追求一种单一理论的初衷相左。经过数年努力,物理学家终于找到解决问题的钥匙。尽管目前这一理论还未得到一个大家一致赞同的形式,但至少已为它起了一个名字:M理论。在M理论中,空间和时间以普朗克尺度为基本单位。普朗克尺度可以根据已知的基本原理来建立,普朗克长度为10-33厘米,普朗克时间为10-43秒。
  在M理论中,时空是10维或者是11维的,为什么日常生活中所见的时空是4维的呢?霍金认为,存在着两种可能的解释:一可能是所有额外维的尺度非常小,甚至如普朗克尺度那样小,实在难以观察到;二可能是额外维的尺度相当大,甚至可达无穷大,只是在目前的观察条件下尚未观测到。
  霍金认为,“大的额外维是新理论探索中的激动人心的进展,它蕴涵着我们生活在一个胚世界中,一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’”中。强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚中,所以任何与引力不相关的物理问题就会和在4维时空中的一样。比如,支配构成人体的物理定律是描写电磁力的量子电动力学,所以胚世界的存在,并不会影响到人体的构造。与此相反,引力则会弥散到整个高维空间中去。也就是说,引力随距离的减少可能比以往的估计更快。
  如果引力的这种更快速减小可延伸至天文距离,就应该在行星轨道上觉察到这一效应。这样,行星轨道会是不稳定的:行星要么掉到太阳中去,要么逃逸到寒冷黑暗的星际空间中去。然而,若该额外维在离人类生活其上的胚不远的另一胚处终结的话,这种效应就不会发生。那么,对于超过两个胚相分离的距离,引力就会如上述像电磁力那样,不能自由地发散开去,而被有效地局限在胚上,并且减小的速率刚好适合于行星轨道。在实验室中精确地测量物体之间万有引力是一件十分艰难的工作,实验尚未探测出当胚的分离小于几毫米时它的效应。尽管理论家预言,在距离短于胚之间的分离距离时,引力会下降得更快速。但是实验研究者迄今缺少有效的手段进行测量,一旦在更短距离下的测量成功,就能鉴别人类所在的胚世界究竟是这样的,还是那样的。
  为了解释恒星绕着银心转动的速度,就必须假设存在着暗物质。恒星绕银心作缓慢的转动,大约2亿多年转动一周。银河系的形状像一个盘子,银心附近聚集着大量的恒星,银盘里包含了更多的气体、尘埃以及一些恒星。如果套用开普勒定律,银盘外部的恒星的运动速度应当比靠近银心的转得慢,但是观测结果并非如此,整个银盘内恒星的运动速度大致相同。所以,天文学家认为银河系中存在大量暗物质,它们中的大部分分布在银盘的外围,从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。对星系团内全部星系运动状况的研究也得出相同结论。
  对宇宙更大尺度结构的仔细研究也表明可能存在着暗物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。进一步考虑到宇宙年龄在1秒到3分钟之间的核反应及其宇宙轻元素的丰度,暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这就意味着暗物质应以中微子或类似于中微子(轴子、有质量弱相互作用粒子等)的形式出现,它们不带电荷因而不受电磁力、强力的影响。
  霍金认为,在4维“膜”世界中,人类生活在一个胚中,邻近还有另一个“影子”胚。因为光被限制在胚中,不能传播到另一个胚,所以人类不能看到影子世界。但是人类会感觉到影子胚中的物质的引力影响。这种引力在人类所在的胚世界中会显示成一种“暗”源。检测“影子”胚的仅有办法是通过引力的途径。
  霍金说,弦、膜和胚“与宇宙中任何其他东西一样,都会有量子起伏。”这些量子起伏就使得胚这样一类客体会自发地创生和消失。这个过程很有一点像沸腾的水中蒸汽泡形成的过程。量子力学中的海森伯不确定性原理导致了胚从泡泡中创生。如果这个4维泡泡继续长大,那么生活在这个泡泡上的人就会感到宇宙正在膨胀。
  按照霍金的无边界设想,胚世界的自发创生有一段虚时间的历史。在这段历史中,宇宙像一个果壳:一个4维球面(不妨想像成是一个多了两维的核桃壳 )。只是果壳是空的,在这胚世界图像中的4维果壳是满的:人类生活其中的胚在虚时间中的历史是一个4维球,它是一个5维泡泡的边界,而余下的5维或6维是卷曲的,并且卷得非常小。
  依照霍金的理论,胚在虚时间的历史将决定它在实时间的发展。高维泡泡在虚时间中产生一个完全光滑的球形的4维“果壳”的概率是最高的;然而,这又对应于在实时间内以暴胀方式永远膨胀的胚。星系不能在这种胚世界中形成,从而智慧生命也不会出现。然而,高维泡泡在虚时间中产生一个有点不光滑和偏离球形的4维“果壳”的概率虽然稍低一些,但是却能与实时间中的减速暴胀过程(胚在开始时有一个加速膨胀——暴胀的相,随后膨胀又缓慢下来)相对应。在这个减速暴胀过程中,星系可能形成,智慧生命也会出现。有趣的是,这些智慧生命将会创造一种宇宙理论,认识到他们来自于不那么光滑,也不那么圆的4维“膜”。
  随着霍金那根神奇的手指,游历了神奇的果壳中的宇宙之后,会有什么感想?果真每个人都是来自于神奇果壳中的生灵?!
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