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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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　　在把眾多的假設匯集成一種假設的過程中，物理學家意識到，他們的方程所描述的宇宙，不僅是由弦，而且是由薄膜狀的東西組成的。這種薄膜狀的東西就是“P-膜”。由此便產生了“M理論”（含有“所有理論之母”的意思）。M理論認為，一維的弦可延展為2維的面，即“膜”；二維的膜則可卷曲成3維的圓環膜，乃至11維空間交錯的膜。膜可以因量子起伏而自發地創生和消失。我們就生活在D-膜的邊緣上，即四維時空的表面（即膜）上。我們的四維時空，可能僅僅是真實宇宙的很小一部分，它是一個圍繞著多維時空的泡泡。劍橋大學的尼爾‧圖洛克等人認為，不同膜之間的踫撞，有可能引發像我們宇宙誕生時的大爆炸那樣的爆炸。
　　
　　

　　膜世界的形成就像在沸騰水中蒸汽泡的形成一樣
　　

　　果殼中的宇宙
　　
　　既然M理論認為宇宙是11維的，但為什麼除了4 維時空外，我們沒有感覺到其他維的存在？M理論認為，那是因為我們處在低能的狀態下，電子和其它粒子只能在大維中運動，因而使我們感覺不到卷曲得很小很小的7個額外維，也就無法領略整個10維空間的風光。如果用具有極高能量的粒子進行探測，就會看到宇宙具有11維時空，就像肉眼看頭發只是一條一維的線，而用高倍放大鏡觀察則能看到它的3維結構一樣。在宇宙誕生早期的高溫高能狀態下，宇宙正是11維的，隨著溫度（能量）的下降，額外的7維才卷曲起來。霍金相信，大型強子對撞機有可能觀察到卷曲得很小的額外維。
　　在M理論中，有人認為，我們的宇宙除了三個大的空間維以外，還可能有一個或更多的大的空間維，只是由于它們相當大，甚至無限大，在目前的條件下我們無法觀察到它們罷了。
　　霍金認為，這個思想具有巨大的優勢，是我們尋找終極理論（或模型）的激動人心的新進展。為此，他在2001年將全息論、宇宙多重歷史理論和人擇原理等結合起來，提出果殼中的宇宙理論。這是不是宇宙終極理論呢？
　　2004年，霍金的思想來了個大轉彎，宣布放棄終極理論，認為探索終極理論是徒勞無益的。當然，他並沒有放棄果殼中的宇宙理論。
　　
　　《果殼中的宇宙》
　　
　　下面，舉例說明《果殼中的宇宙》對宇宙難題的描述。
　　宇宙的起源和膨脹。我們知道，在燒沸的水中會產生氣泡。膜的量子創生有點像氣泡在沸水中創生。這就是，不確定性原理允許膜世界作為泡泡從無中出現，膜形成泡泡的表面，內部則是高維空間。小泡泡傾向于再坍縮為無，兩個泡泡可能因為踫撞而合並，宇宙大爆炸或許就是兩個泡泡之間踫撞造成的。我們就生活在四維時空的泡泡上（宇宙的邊緣上）。一個超過某一臨界尺度的泡泡會繼續長大，生活在膜上的智慧生命（如地球人類）就會覺察到星系在相互離開，宇宙在膨脹，而沒有任何星系是膨脹的中心。
　　
　　

　　在我們膜世界中的一個黑洞會延展到額外維中去。如果黑洞很小，它就幾乎是球形的。但是在膜上的巨大黑洞會在額外維中延展成一個餅狀的黑洞
　　
　　在這里，有膜和泡泡兩種模型，它們都是描述觀測的數學模型。到底是使用膜還是使用泡泡，就看哪個更方便。
　　果殼宇宙。根據宇宙無邊界的設想，宇宙在虛時間中的歷史像一個果殼。如果宇宙是4維時空構成的，則果殼中是空的。根據M理論，則果殼中被卷曲得很小的6或7維充滿，我們生活在4維泡泡的表面上；如果有額外的大維，則只有5或6維被卷曲在果殼中，我們就生活在5維泡泡的表面上。
　　人擇原理與果殼宇宙。由于物質、電力等非引力的東西被限制在膜上而不能散發出去，這正是原子得以穩定的條件。原子穩定才能使星系和生命得以形成。人擇原理說，宇宙必須適合于智慧生命，如果原子不穩定，我們便不能在此觀察宇宙，並詰問它為何顯得是4維的。
　　
　　

　　在膜世界場景中，由于引力傳播入額外的維，行星可以圍繞在影子膜上的暗質量公轉
　　
　　一個在虛時間中表面完全光滑的果殼是泡泡最可能的歷史，但是它在實時間中對應于以暴漲形式永遠膨脹的膜（泡泡的表面），星系不能在這樣的表面上形成，就不可能有智慧生命發展。而在虛時間中不那麼光滑的果殼歷史，雖然概率稍低，但它在實時間中對應的泡泡歷史，首先有一個加速暴漲的相，然後緩慢下來。在這個減速過程中，星系能夠形成，智慧生命能夠發展。稍稍長毛的果殼宇宙，正是智慧生命從M理論允許的大量的宇宙中選擇出來的膜模型。
　　暗物質和影子人類。M理論認為，引力可以從膜上彌漫出去。這樣，如果在鄰近我們膜世界有一張額外的大膜，則它能防止引力向遠處發散。這張鄰近的額外大膜就是我們的“影子膜”（影子世界）。由于引力可以傳播到影子膜上去，所以那里的恆星可以圍繞影子星系中心公轉、行星可以圍繞暗質量公轉。由于光被限制在膜上，所以我們看不到影子世界。但是，我們可以感覺到影子膜上物質的引力影響。這種引力影響在我們膜上真正是“暗的”。這或許就是我們宇宙中丟失的暗物質？在影子世界中或許還有影子人類，他們在解釋恆星繞影子星系中心公轉和行星繞暗質量公轉時，也很想知道他們宇宙中下落不明的物質。
　　
　　

　　全息學
　　全息學把一個空間區域的信息編碼到一個低一維的面上。一個黑洞的事件視界的面積是它的內部狀態數的測度這一事實顯示，全息原理似乎是引力的一個性質。在膜世界模型中，全息學是在我們四維世界的態和高維的態之間的一一對應。從實證主義的觀點看，人們不能區分何種描述更為基本。
　　
　　能量守恆。根據M理論，膜上的運動物體產生的引力波可以從膜上彌漫出去。如果存在一張影子膜，引力波就會在我們膜和影子膜之間來回反射。但是，如果影子膜是高度彎曲的（如馬鞍型），就不能將引力完全反射回來，特別是波長比其曲率半徑短的引力波會完全逃逸出去。由于引力波會帶走能量，這僅從我們膜來看，是違反能量守恆定律的，但從多維世界來看，只不過是能量發散得更開而已。
　　黑洞輻射和消亡。黑洞發射的引力波會傳播到額外維上去，並在我們維與額外維之間來回反射。因而，我們膜上的一個黑洞會延展成額外維上的一個黑洞。如果黑洞很小，則額外維上的黑洞是球形的，如果是巨型黑洞，則額外維的黑洞是餅狀的。黑洞由于引力輻射而損失能量，它因此會慢慢蒸發，尺寸縮小。當它比馬鞍型額外維的曲率半徑還小時，它的引力波就會自由地逃逸而不再返回，在我們膜上就無法直接觀測到黑洞的輻射，只有通過黑洞的質量損失間接地測量到。也許這正是我們迄今沒有觀測到黑洞激烈消亡時產生的伽瑪射線的原因。
　　黑洞的熵和全息界。熵本來是熱力學中的概念，表示一個物理系統的無序程度。1948年美國應用數學家香農在設法量化一條消息所包含的信息量時，得出了一條與玻爾茲曼熱力學熵類似的公式，于是便把熵的概念引進信息論。一條消息的熵，就是編碼這條消息所需二進制位（即比特）的個數。黑洞的熵是黑洞內部狀態（質量、旋轉和電荷）數目的度量。1974年，霍金發現一個計算黑洞熵的簡單公式，即黑洞的熵等于黑洞視界的面積。這說明，熵是一個系統中的總信息的測度。這就暗示，與三維世界中的所有現象相關聯的信息，能被存儲在它的二維邊界上。這就是“全息原理”。
　　物理系統所能容納信息量的界限叫“全息界”。
　　宇宙是幅全息圖。我們都知道全息照相，它可以把3維圖像記錄在2維的膠片上，描述3維圖景的所有信息，都被編碼到2維膠片的明暗相間的圖樣上。以適當方式放映這些膠片，我們就可以看到3維圖像。從M理論的觀點來看，宇宙也是一幅全息圖。
　　如果宇宙是由4維時空組成的，我們就生活在4維時空泡泡上。根據M理論，4維時空很可能就是5維時空（其余空間維卷曲得很小）宇宙的邊緣。根據全息原理，在我們生活的膜（泡泡）上，應該負載著5維時空內發生的一切信息的密碼。那麼，應用適當技術，我們就可以了解多維宇宙的情況。
　　根據全息原理，5維時空宇宙就是一幅畫在其4維邊界上的全息圖像，4維時空的態與5維時空的態一一對應，兩個宇宙是完全等效的。因此，生活在這些宇宙中的生物，將無法確定他們是棲息在一個由弦理論描述的5維時空中，還是生活在一個由量子場論描述的4維時空中。但是，由于全息等價，使得一個在某一時空中難以計算的問題，可以用另一種方式解決，如，4維時空中夸克和膠子特性的計算，可以轉化為高度對稱的5維時空中的簡易計算。
　　這些描述如果準確的話，它就是果殼中的宇宙的一幅側影。

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文章作者:李龍臣
責任編輯:skylook

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