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輪椅中的霍金與果殼中的宇宙

（2007年05月15日 21:46） 來源︰《太空探索》，謝絕轉載。

□作者: 李龍臣

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　　今年1月8日是英國著名數學家、理論物理學家斯蒂芬‧霍金65歲生日，他對記者說，他的下一個目標是成為一名太空游客。今年將進行模擬失重訓練，可能在2009年進入太空。他的這個願望得到冒險大亨理查德‧布蘭森的大力支持。他創辦的維珍銀河公司，正在開發搭載游客進行亞軌道飛行的太空項目。布蘭森還將贊助霍金10萬英鎊，用于支付太空旅游的費用。
　　
　　

　　史蒂芬‧霍金（2001年）
　　
　　時至今日，對一般人來說，進行太空旅游並不是什麼稀奇事。但對霍金來說，卻是個驚人之舉。還是在他讀研究生的1962年，即21歲生日過後不久，就被診斷出患上了運動神經細胞萎縮癥，從手、腳到心、肺和大腦，能夠動的部位會越來越少。到1963年，醫生宣判他的生命只剩下兩年的時間。但他的頑強抗爭，不僅延緩了死神的到來，而且成為著名的科學家。
　　不過，他的病情還是在20年前就已經很嚴重了，腦袋往下耷拉，手腳不能動，只能靠輪椅行動，說話很困難。1985年，在肺炎手術後，又完全不能說話了，只能靠安裝在輪椅上的語言合成器與人交談。開始，他用一只手的三根手指在計算機屏幕上選擇詞匯，組成句子，後來則只能通過眼皮的動作來選擇詞匯組成句子了。
　　
　　

　　《果殼中的宇宙》封面
　　
　　霍金與宇宙有不解之緣。早在讀研究生時，他就非常關注宇宙學問題，而現在，“即便把我關在果殼里，仍然自以為無限空間之王”。霍金使“輪椅”和“果殼”結了緣。
　　《果殼中的宇宙》正是霍金繼《時間簡史》之後又一科普力作。讓我們來一睹芳容。
　　《果殼中的宇宙》雖然是科普書，我們還是要鋪墊著來描述。
　　
　　終極理論
　　
　　所謂終極理論，是指宇宙中的一切都可以用一項單一的數學方程（定律）來描述的那種理論，又叫統一理論、萬有理論、萬物至理、萬物終極理論等等。
　　建立終極理論，不是完全另起爐灶，而是設法把已有的成功理論統一起來。正如法國學者奧古斯特‧孔特所說︰“科學進步的重要是在不斷擴展那些不同原理之間的聯系、減少它們的數目。”
　　自現代科學誕生以來，一些科學家一直在追求宇宙的終極理論，並不斷有人宣稱離找到終極理論的時間不遠了。
　　終極理論的源頭，可以上溯到17世紀牛頓建立行星運動理論之時。那時就有拉普拉斯的決定論︰只要給定宇宙在某一時刻的結構，由給定的一組定律，就能精確的決定它的演化。
　　1831年，英國物理學家邁‧法拉第發現，電和磁雖然表面現象不同，但卻是同一基本現象的不同方面。這暗示著以某種方式來看，宇宙具有一種基本的統一性。那時，法拉第還缺少實現這種統一的工具——數學。
　　1861年，詹‧麥克斯韋成功地將法拉第的發現轉換成數學語言，即麥克斯韋電磁方程組，成功地將電、光、磁統一到一個電磁理論中。但電磁理論不包含引力。
　　
　　

　　我們生活在一張膜上，或者我們只不過是張全息圖？
　　
　　進入20世紀以後，原子論已牢固地建立起來。當時的大多數物理學家認為，除了某些物質吸收熱量的準確方式和某些原子蒸汽輻射出的奇怪譜線等少數幾個問題外，對一切事物基本上已經完全了解了，剩下的那幾個問題，過不了幾年也可以得到解決。如在1903年，著名實驗科學家邁克爾遜就說︰“所有比較重要的基本定律和物理科學的事實，都已經被發現，它們已經很穩固地成立，甚至連因為有新的發現而要對它們進行補充的這種可能性，都極其微小。”
　　但是，其言猶在耳，就有嶄新的物理學——愛因斯坦狹義相對論和包含引力的廣義相對論誕生。更有盧瑟福砸碎原子，掏出一個廣闊的微觀世界，誕生了迄今應用成果最大的量子力學。
　　在原子被砸碎，了解到原子是由電子和原子核組成的以後，著名物理學家馬克斯‧玻恩在1928年發表評論說，“我們所了解的物理學，將于6個月內大功告成”。
　　愛因斯坦在發表廣義相對論後的40年中，都在從數學上進行把廣義相對論與電磁理論統一起來的理論——“統一場理論”的研究。
　　
　　

　　每個娃娃代表對自然的小到某一尺度的理論理解。每個娃娃都包含一個更小的娃娃，後者對應于描述在更短的尺度下自然的理論。但是在物理學中存在一個最小基本長度，即普朗克長度，這是自然可以用M-理論描述的尺度
　　
　　愛因斯坦注意到，德國數學家卡盧扎1919年曾證明了有一系列方程能把廣義相對論與電磁理論統一起來，但宇宙需要5維時空。宇宙這額外的一維哪里來呢？他還注意到瑞典數學家克萊因在1926年曾提出一種觀點，認為宇宙的那個額外維卷曲得太小，我們無法察覺到。愛因斯坦雖然覺得卡盧扎和克萊因的發現很重要，但在用于他的統一場理論時，總有一些零星問題不能解決，或者會得到一些滑稽的結果。
　　在愛因斯坦還沒有將引力和電磁力統一起來的時候，人們又發現了將原子核中質子和中子束縛在一起的強核力和弱核力。更糟的是，這兩種基本力是由信使子傳遞的，這與愛因斯坦對引力的看法大相徑庭。
　　1955年愛因斯坦逝世後，他的統一場理論很少有人問津。人們將注意力轉向了電磁力與弱核力的統一——量子場理論。
　　20世紀60年代末，美國的溫伯格和格拉肖、英國的薩拉姆找到了電磁力與弱核力統一的方程。電磁力和弱核力是統一的電弱力的不同方面。隨後，他們的理論得到了證實。
　　1973年，格拉肖發現了把電磁力、弱核力與強核力統一起來的數學公式，這就是“大統一場理論”。電磁力、弱核力和強核力是統一的“超力”的不同方面。超力在宇宙大爆炸後分裂成電磁力、弱核力和強核力。但大統一場理論不包括引力。
　　
　　

　　為了統一電磁理論、狹義相對論和量子理論，狄拉克等人早在20世紀20年代就建立了量子場論。但量子場論也不包括引力。為彌補這個不足，科學家們又建立了量子引力論，就是把廣義相對論與量子理論統一起來。1967年，惠勒和德威特找到一個數學公式，成功地將廣義相對論與量子理論結合起來了。但是，在這些嘗試中，他們像愛因斯坦一樣遇到數學問題，其中包括無窮大的問題。
　　20世紀70年代初發現的“超對稱理論”，又使科學家找到了把構成物質的粒子（費米子）與攜帶力的粒子（玻色子）統一起來的數學特性，即消除了亞原子粒子的差別，提供了把引力統一進來的線索。這就是“超引力理論”。
　　1984年，約翰‧施瓦茨和邁克爾‧格林提出了“超弦理論”，指出把引力與其它力統一起來的唯一條件是，把粒子看成是弦，它們必須擁有超對稱（超弦），並且存在于10維時空中。不過，超弦理論仍然沒有反映全部情況，而且超弦理論有5種之多。
　　在基本粒子物理學、量子力學取得了巨大成就的時候，霍金于1988年在他的暢銷書《時間簡史》中說，“可以謹慎樂觀地說，我們對自然的終極規律的探索，現在也許接近了尾聲。”
　　1996年，威滕提出M理論，認為5種超弦理論只是M理論的不同側面。如果超弦代表膜，則5種超弦理論僅僅是11維膜的邊緣。因此，霍金認為，M理論有可能成為人們追求的終極理論。
　　
　　M理論
　　
　　1985年以後，物理學家開始意識到，弦理論中的“弦”，只不過是延展成多于1維的眾多物族的一員。
　　1994年以後，物理學家又知道一種描寫強相互作用的閉弦理論與描寫弱相互作用的開弦理論完全相同。對開弦理論的深入研究，特別集中于弦的邊緣（即開弦的兩個端點）可運動的空間。理論物理學家倫內特‧赫伊斯佐恩在對這些邊緣空間進行數學研究時，根據數學家狄利克雷的名字，將這些空間命名為“D-膜”。英國劍橋的數學和理論物理學家保羅‧湯森對膜作了許多基本研究。他把由弦延展成多于1維的物體叫做“P-膜”（P表示維數）。一個P膜在P方向上有長度。這樣，P=0的膜是點，P=1的膜就是弦，P=2的膜就是面，如此等等。而且，所有P-膜都是平等的。1996年，愛‧威滕等人又發現，5種弦理論假設，實際上只是從不同側面表述同一基本的11維假設。

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