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霍金和他的果殼中的宇宙
（2005年06月11日 13:38:41）
來源︰http://www.kexuemag.com/
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□作者: 孫玨岷
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2002年8月15日11時30分，在美麗的西子湖畔，當代科學巨匠——霍金教授用他僅能活動的手指將3000多名听眾引進了“果殼中的宇宙”。
“果殼中的宇宙”典出莎士比亞的《哈姆雷特》。哈姆雷特在劇中吟唱道︰即便把他關在果殼中，他仍然是無限空間之王。藝術和科學是息息相通的，莎翁和霍金本就是他們各自領域中的無限空間之王。宇宙學家霍金認為，整個宇宙是由一個高維果殼狀的泡泡演化而來的，果殼上的皺紋（即量子擾動）在演化中產生了今天宇宙的所有結構。
30多年來，世界上一批天才的頭腦創建了一門叫做“弦論”的學科，其最新版本叫做M理論。弦論能解釋所有已知的自然力（強力、弱力、電磁力和引力），所以它又被稱為萬物理論。弦是一種高維空間（霍金認為維數應是10維或11維）中的1維客體，弦的概念可以進一步推廣到p胚，後者是高維空間的p維客體。霍金認為，時空就是一張推廣了的“膜”，不過這張膜不是2維的，而是4維的。物理學家為此創造了一個新詞brane，盡管這個詞已被使用了十多年，目前似乎尚未被牛津詞典收入，在我國的一些學術文章中將它譯為“胚”。當p等于零時，胚就是點粒子；當p等于1時，胚就是弦；當p等于2時，胚就是膜（menbrane）；而在一般情況下，就稱為胚，即高維的“膜”。
人們常說，弦論是一門21世紀的數學，卻不幸地早產于20世紀 。所以，雖然人們已經討論了弦論的許多性質，更知道它是一個真正了不起的理論，但要把弦論講清楚實在不容易。弦論的基本假設是︰不存在粒子，而只有弦在空間中運動。一條弦就是一個畫在空間中的圈。弦論假設只存在一種弦，而各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。當一條弦隨時間運動時，它的軌跡不是一條線而是一根管子。兩條弦還可以結合形成一條新弦，一條弦也可以分裂成兩條。自然界中的一切相互作用，包括電子和光子的相互作用，都可以用弦的分裂和結合來解釋。
在研究的過程中，存在著五個不同種類的自洽弦理論，這與弦論追求一種單一理論的初衷相左。經過數年努力，物理學家終于找到解決問題的鑰匙。盡管目前這一理論還未得到一個大家一致贊同的形式，但至少已為它起了一個名字︰M理論。在M理論中，空間和時間以普朗克尺度為基本單位。普朗克尺度可以根據已知的基本原理來建立，普朗克長度為10－33厘米，普朗克時間為10－43秒。
在M理論中，時空是10維或者是11維的，為什麼日常生活中所見的時空是4維的呢？霍金認為，存在著兩種可能的解釋︰一可能是所有額外維的尺度非常小，甚至如普朗克尺度那樣小，實在難以觀察到；二可能是額外維的尺度相當大，甚至可達無窮大，只是在目前的觀察條件下尚未觀測到。
霍金認為，“大的額外維是新理論探索中的激動人心的進展，它蘊涵著我們生活在一個胚世界中，一個在高維時空中的4維‘面’或‘膜’”中。強力、弱力和電磁力將被限制在這個胚中，所以任何與引力不相關的物理問題就會和在4維時空中的一樣。比如，支配構成人體的物理定律是描寫電磁力的量子電動力學，所以胚世界的存在，並不會影響到人體的構造。與此相反，引力則會彌散到整個高維空間中去。也就是說，引力隨距離的減少可能比以往的估計更快。
如果引力的這種更快速減小可延伸至天文距離，就應該在行星軌道上覺察到這一效應。這樣，行星軌道會是不穩定的︰行星要麼掉到太陽中去，要麼逃逸到寒冷黑暗的星際空間中去。然而，若該額外維在離人類生活其上的胚不遠的另一胚處終結的話，這種效應就不會發生。那麼，對于超過兩個胚相分離的距離，引力就會如上述像電磁力那樣，不能自由地發散開去，而被有效地局限在胚上，並且減小的速率剛好適合于行星軌道。在實驗室中精確地測量物體之間萬有引力是一件十分艱難的工作，實驗尚未探測出當胚的分離小于幾毫米時它的效應。盡管理論家預言，在距離短于胚之間的分離距離時，引力會下降得更快速。但是實驗研究者迄今缺少有效的手段進行測量，一旦在更短距離下的測量成功，就能鑒別人類所在的胚世界究竟是這樣的，還是那樣的。
為了解釋恆星繞著銀心轉動的速度，就必須假設存在著暗物質。恆星繞銀心作緩慢的轉動，大約2億多年轉動一周。銀河系的形狀像一個盤子，銀心附近聚集著大量的恆星，銀盤里包含了更多的氣體、塵埃以及一些恆星。如果套用開普勒定律，銀盤外部的恆星的運動速度應當比靠近銀心的轉得慢，但是觀測結果並非如此，整個銀盤內恆星的運動速度大致相同。所以，天文學家認為銀河系中存在大量暗物質，它們中的大部分分布在銀盤的外圍，從而加快了這部分區域內恆星的運動速度。對星系團內全部星系運動狀況的研究也得出相同結論。
對宇宙更大尺度結構的仔細研究也表明可能存在著暗物質。這種結構是以星系團和超星系團集結在一起的方式出現的。進一步考慮到宇宙年齡在1秒到3分鐘之間的核反應及其宇宙輕元素的豐度，暗物質必須以不參與核反應的形式存在。這就意味著暗物質應以中微子或類似于中微子（軸子、有質量弱相互作用粒子等）的形式出現，它們不帶電荷因而不受電磁力、強力的影響。
霍金認為，在4維“膜”世界中，人類生活在一個胚中，鄰近還有另一個“影子”胚。因為光被限制在胚中，不能傳播到另一個胚，所以人類不能看到影子世界。但是人類會感覺到影子胚中的物質的引力影響。這種引力在人類所在的胚世界中會顯示成一種“暗”源。檢測“影子”胚的僅有辦法是通過引力的途徑。
霍金說，弦、膜和胚“與宇宙中任何其他東西一樣，都會有量子起伏。”這些量子起伏就使得胚這樣一類客體會自發地創生和消失。這個過程很有一點像沸騰的水中蒸汽泡形成的過程。量子力學中的海森伯不確定性原理導致了胚從泡泡中創生。如果這個4維泡泡繼續長大，那麼生活在這個泡泡上的人就會感到宇宙正在膨脹。
按照霍金的無邊界設想，胚世界的自發創生有一段虛時間的歷史。在這段歷史中，宇宙像一個果殼︰一個4維球面（不妨想像成是一個多了兩維的核桃殼 ）。只是果殼是空的，在這胚世界圖像中的4維果殼是滿的︰人類生活其中的胚在虛時間中的歷史是一個4維球，它是一個5維泡泡的邊界，而余下的5維或6維是卷曲的，並且卷得非常小。
依照霍金的理論，胚在虛時間的歷史將決定它在實時間的發展。高維泡泡在虛時間中產生一個完全光滑的球形的4維“果殼”的概率是最高的；然而，這又對應于在實時間內以暴脹方式永遠膨脹的胚。星系不能在這種胚世界中形成，從而智慧生命也不會出現。然而，高維泡泡在虛時間中產生一個有點不光滑和偏離球形的4維“果殼”的概率雖然稍低一些，但是卻能與實時間中的減速暴脹過程（胚在開始時有一個加速膨脹——暴脹的相，隨後膨脹又緩慢下來）相對應。在這個減速暴脹過程中，星系可能形成，智慧生命也會出現。有趣的是，這些智慧生命將會創造一種宇宙理論，認識到他們來自于不那麼光滑，也不那麼圓的4維“膜”。
隨著霍金那根神奇的手指，游歷了神奇的果殼中的宇宙之後，會有什麼感想？果真每個人都是來自于神奇果殼中的生靈?!
（本文作者為上海師範大學天體物理聯合中心主任助理）
[1] 霍金.果殼中的宇宙.長沙︰湖南科學技術出版社，2002
[2] 李新洲.科學，1998，50(6)︰18
[3] 李新洲.科學，1986，38(5)︰162
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文章作者:孫玨岷
責任編輯:skylook
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