第13章從弦/M理論看黑洞 弦理論出現(xiàn)以前，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)間的矛盾真把我們 的直覺(jué)大大地羞辱了一回——我們一貫直覺(jué)地認(rèn)為，自然律應(yīng)該 是天衣無(wú)縫的一個(gè)和諧的整體。而那矛盾還不僅僅是理論上的一道巨大裂縫。如果沒(méi)有引力的量子力學(xué)體系，我們不可能認(rèn)識(shí)發(fā) 生在宇宙大爆炸時(shí)刻和統(tǒng)治著黑洞內(nèi)部的那些極端的物理?xiàng)l件。 隨著弦理論的發(fā)現(xiàn)，我們今天有希望揭開這些深藏的秘密了。在這一章和下一章里，我們要講弦理論在朝認(rèn)識(shí)黑洞和宇宙起源的 方向上走了多遠(yuǎn)。 黑洞和基本粒子 乍看起來(lái)，很難想象還有哪兩樣?xùn)|西能比黑洞和基本粒子有 更大的差別。我們常把黑洞描繪成天體的巨無(wú)霸，而基本粒子卻 是物質(zhì)的小不點(diǎn)兒。但20世紀(jì)60年代末和70年代初的許多物理學(xué)家，包括克里斯托多羅（Demetrios Christodoulou)、伊思雷爾 (Werner Israel)、普賴斯（Richard Price)、卡特爾（Brandon Carter) 、克爾（Roy Kerr)、羅賓森（David Robinson)、霍金和彭羅 斯，發(fā)現(xiàn)黑洞和基本粒子也許不像我們想的那么懸殊。他們發(fā)現(xiàn)321 越來(lái)越多的證據(jù)令人相信惠勒所謂的“黑洞無(wú)毛”所表達(dá)的思想?；堇者@話的意思是，除了少數(shù)可以區(qū)別的特征外，所有黑洞 看起來(lái)都是相像的。那幾個(gè)可以區(qū)別的特征，第一當(dāng)然是黑洞的 質(zhì)量。別的呢？研究發(fā)現(xiàn)它們是黑洞所能攜帶的電荷或其他力荷，還有它的自轉(zhuǎn)速度。就是這幾樣。任何兩個(gè)黑洞，如果有相 同的質(zhì)量、力荷和自轉(zhuǎn)，它們就是完全相同的。黑洞沒(méi)有眩目的 “發(fā)型”——就是說(shuō)，沒(méi)有別的內(nèi)在的特征——將自己區(qū)別出來(lái)。這情形我們似曾相識(shí)——?jiǎng)e忘了，正是這些性質(zhì)，質(zhì)量、力 荷和自旋，將基本粒子彼此區(qū)別開來(lái)。因?yàn)樵跊Q定性特征上的相 似，許多物理學(xué)家這些年來(lái)形成一個(gè)奇特的猜想：黑洞可能本來(lái)就是巨大的基本粒子。 實(shí)際上，根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，黑洞沒(méi)有極小質(zhì)置的限制。 任何質(zhì)量的一團(tuán)物質(zhì)，如果被擠壓得足夠小，我們能直接用廣義 相對(duì)論證明它可以成為一個(gè)黑洞。（質(zhì)量越小，我們就把它壓得 越小。）這樣，我們可以想象一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：從質(zhì)量越來(lái)越小的小塊物質(zhì)幵始，我們把它們壓成越來(lái)越小的黑洞，然后拿這些黑 洞與基本粒子進(jìn)行比較?；堇盏摹盁o(wú)毛”結(jié)論令我們相信，如果 質(zhì)量足夠小，我們以這種方式形成的黑洞看起來(lái)很像基本粒子。兩樣小東西都完全由它們的質(zhì)量、力荷和自旋來(lái)刻畫。 但有一個(gè)問(wèn)題。天體物理學(xué)的黑洞，質(zhì)量是太陽(yáng)的許多倍， 既大且重，量子力學(xué)與它們沒(méi)有關(guān)系，只需要用廣義相對(duì)論來(lái)理 解它們的性質(zhì)。（這里講的是黑洞的整個(gè)結(jié)構(gòu)，沒(méi)考慮黑洞中心 的坍縮奇點(diǎn)，那個(gè)小東西當(dāng)然是需要量子力學(xué)來(lái)描述的。）然而，當(dāng)我們形成越來(lái)越小的黑洞時(shí)，可能出現(xiàn)量子力學(xué)確實(shí)發(fā)生 作用的情形。例如，當(dāng)黑洞總質(zhì)量為普朗克質(zhì)量或更小的時(shí)候。 (從基本粒子物理學(xué)的觀點(diǎn)看，普朗克質(zhì)量是巨大的——約質(zhì)子 3:2質(zhì)量的1000億億倍。但從黑洞的觀點(diǎn)看，普朗克質(zhì)量是相當(dāng)小 的，不過(guò)等于一?；覊m的質(zhì)量。）于是，猜想小黑洞與基本粒子密切相關(guān)的物理學(xué)家迎面就碰上廣義相對(duì)論這一黑洞的理論核心 與量子力學(xué)的不相容問(wèn)題。過(guò)去，兩者的不相容曾死死地拖著人 們向前的腳步。 弦理論能讓我們往前走嗎 是的。通過(guò)黑洞的?一個(gè)喜出望外的大發(fā)現(xiàn)，弦理論在黑洞與 基本粒子間建起了第一個(gè)合理的理論聯(lián)系。通往聯(lián)系的道路是曲折的，但它會(huì)領(lǐng)著我們經(jīng)過(guò)弦理論的一些最有趣的發(fā)展，是一段 令人難忘的歷程。 事情從弦理論家自20世紀(jì)80年代末以來(lái)一直在談?wù)摰囊粋€(gè)看似毫不相干的問(wèn)題開始。物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家很早就知道，當(dāng)6 個(gè)空間維卷縮成卡-丘形式時(shí)，在空間結(jié)構(gòu)中一般存在兩種類型的球面。一種是二維的，像沙灘皮球的表面，在第11章的空間 破裂翻轉(zhuǎn)變換屮起著積極的作用；另一種很難想象，但同樣是普遍存在的，那就是三維球面——在有4個(gè)展開的空間維的宇宙 中，海灘上玩的就該是這樣的皮球。當(dāng)然，正如我們?cè)诘?1章 講的，我們世界的普通的沙灘皮球本來(lái)也是三維的東西，但它的 表面，就像花園里澆水管子的表面一樣，是二維的。我們只需要兩個(gè)數(shù)——如經(jīng)度和緯度——就能確定表面上任何一點(diǎn)的位置。 伹我們現(xiàn)在是在想象多一個(gè)空間維的情形：一個(gè)四維的沙灘皮 球，它的表面是三維的。這樣的皮球我們幾乎不可能在頭腦里畫出來(lái)，所以總體說(shuō)來(lái)我們還是會(huì)借助更容易“看得見(jiàn)”的低維類 比來(lái)想象它。不過(guò)，我們馬上會(huì)看到，這多一維的球面有一點(diǎn)性 質(zhì)是至關(guān)重要的。 通過(guò)對(duì)弦理論方程的研究，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的演化，三維的球面可能，而且極有可能，收縮——坍縮——下去， 直到幾乎沒(méi)有體積。那么，弦理論家問(wèn)，如果空間結(jié)構(gòu)這樣坍縮下去，會(huì)發(fā)生什么事情呢?空間的這種破裂會(huì)帶來(lái)什么災(zāi)害的后 果嗎?這很像我們?cè)诘?1章提出并解決了的問(wèn)題，但那甩我們只 考慮了二維球面，而現(xiàn)在我們面對(duì)的是三維球面的坍縮。（在第 11章，我們想象卡-丘空間的一部分收縮，而不是整個(gè)空間都 收縮，所以第10章的大小半徑的等同性不適用了。）維數(shù)的不同 帶來(lái)了性質(zhì)h的根本差異。1回想一下我們?cè)诘?1章講過(guò)的東 西。當(dāng)弦在空間移動(dòng)時(shí)，它們能“套住” 二維的球面。就是說(shuō)，弦的二維世界葉能像圖11. 6那樣完全把二維球面包裹起來(lái)?？?以證明，這足以避免坍縮、破裂的二維球面可能產(chǎn)生的物理學(xué)災(zāi)難。但是，我們現(xiàn)在面臨著卡-丘空間里的另一類球面，它的維 太多，一根運(yùn)動(dòng)的弦不可能把它包圍起來(lái)。如果你覺(jué)得這一點(diǎn)不好懂，請(qǐng)你考慮一個(gè)類似的低維的例子。你可以把三維球而想象 成普通的二維沙灘皮球的表面，不過(guò)同時(shí)，你還得把一維的弦想 象成零維的點(diǎn)粒子e這樣，你可以看到，零維的點(diǎn)粒子什么也套 不住，當(dāng)然更套不住二維的球面；同樣，一維的弦也不可能套住 三維的球面 這種思路引導(dǎo)弦理論家們猜想，假如卡-丘空間里的三維球 面要坍縮——近似方程表明這是很可能（即使不是很普遍)在弦埋 論中發(fā)生的事情——那么它可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難的結(jié)果。實(shí)際上，90 年代中期以前發(fā)展起來(lái)的近似弦理論方程似乎說(shuō)明，假如那樣的坍縮發(fā)生了，宇宙的活動(dòng)可能會(huì)慢慢停歇下來(lái)；那呰方程還意味 著，某些被弦理論控制了的無(wú)限大將重新被那樣的空間破裂“解 放”出來(lái)。多年來(lái)，弦理論家們不得不生活在這樣惱人的沒(méi)有結(jié)果的思想狀態(tài)下。但在1995年，斯特羅明戈證明，那些絕望的 論調(diào)和猜想都是錯(cuò)誤的。 跟著惠藤和塞伯以前的奠基性工作，斯特羅明戈發(fā)展了弦理 論的新認(rèn)識(shí)，那就是，以第二次超弦革命的新眼光來(lái)看，弦理論并不僅是一維的弦的理論。他的思路是這樣的：一維的弦——用新的術(shù)語(yǔ)講，即1-膜——能完全裹住一塊一維的空間，如圖 13. 1的一個(gè)圓圈。（注意，這圖跟圖11. 6不同，那里是一維的 弦在運(yùn)動(dòng)中套住一個(gè)二維的球面。圖13. 1應(yīng)看作是某一瞬間的鏡頭。）同樣，我們?cè)趫D13. 1看到，二維的膜能卷起來(lái)完全包裹 一個(gè)二維球面，就像一張塑料膜緊緊包裹一只桔子。雖然那很難想象，斯特羅明戈還是沿著這條思路發(fā)現(xiàn)，弦理論中新出現(xiàn)的三 維物質(zhì)基元——3-膜——能卷曲并完全覆蓋三維的球面?？辞暹@點(diǎn)后，他接著用簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)的物理計(jì)算證明，卷曲的3-膜仿佛 一個(gè)特制的盾牌，完全消除了弦理論家們害怕在三維球面坍縮時(shí)可能發(fā)生的災(zāi)難。 圖13. 1 —根弦可以包圍卷起來(lái)的一片一維空間；二維膜可以卷起來(lái)包裹一 塊2維表面。 這是奇妙而重要的發(fā)現(xiàn)，但它的力量要過(guò)些時(shí)候才能完全顯 露出來(lái) 撕裂空間結(jié)構(gòu) 物理學(xué)最激動(dòng)人心的事情是在一夜之間發(fā)生認(rèn)識(shí)的改變。斯 特羅明戈在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布他論文的第二天早晨，我就在康奈爾的 辦公室里從WWW上看到它了。他用弦理論的新的激動(dòng)人心的發(fā) 現(xiàn)一舉解決了關(guān)于余維卷縮成一個(gè)卡-丘空間的棘手難題，不過(guò)，在我思考他的文章時(shí)，覺(jué)得他可能只做了一半的事情。 在第11章講空間破裂翻轉(zhuǎn)變換的現(xiàn)象時(shí)，我們研究了兩個(gè) 過(guò)程：二維球面收縮成一個(gè)點(diǎn)，使空間發(fā)生破裂，然后球面又以新的方式膨脹，從而修復(fù)裂痕。在斯特羅明戈的文章里，他分析 了三維球面收縮成一點(diǎn)的過(guò)程，證明弦理論新發(fā)現(xiàn)的高維物體將 確保物理學(xué)過(guò)程繼續(xù)良好地進(jìn)行下去。到這里，他的文章就結(jié)束了。他是不是忘了，也許還有事情的另一半——破裂的空間通過(guò) 球面的重新膨脹而修復(fù)？ 1995年春，那時(shí)莫里森正在康奈爾訪問(wèn)我，那天下午我們 一起討論了斯特羅明戈的論文。兩三個(gè)小時(shí)后，我們對(duì)“事情的 另一半”有了一個(gè)輪廓。根據(jù)80年代末以來(lái)數(shù)學(xué)家們的一些研 究成果——那些數(shù)學(xué)家包括，猶他大學(xué)克里門斯（Herb Clemens) ^哥倫比亞大學(xué)弗里德曼（Robert Friedman)、沃威克大學(xué) 雷德（Miles Reid)——以及坎德拉斯、格林和胡布施（Tristan Hiibsch)(那時(shí)都在奧斯丁德克薩斯大學(xué)）的應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三維球面坍縮時(shí)，卡-丘空間也許可能破裂然后通過(guò)球面膨脹而 再?gòu)?fù)原。但是這里出現(xiàn)了很奇怪的事情：坍縮的球面是三維的，而新膨脹起來(lái)的球面只有二維。很難具體把它的樣子畫出來(lái)，不過(guò)我們可以從低維類比中得到一點(diǎn)認(rèn)識(shí)。我們不去考慮那個(gè)令人326 難以想象的三維球面坍縮然后被一個(gè)二維球面取代的情形，讓我們來(lái)想象一個(gè)一維球面的坍縮，然后它被一個(gè)零維球面所取代。 首先，什么是一維和零維的球面呢?讓我們用類比來(lái)說(shuō)明。 一個(gè)二維球面是三維空間里的點(diǎn)的集合，每一點(diǎn)到一個(gè)選定的中心的距離都是相同的，如圖13.2(a)。根據(jù)同樣的思想，一維球 面是二維空間（如本頁(yè)的表面)里的點(diǎn)集，每一點(diǎn)到某個(gè)中心有相 同的距離。如圖13. 2(b)所示，其實(shí)它就是一個(gè)圓周。最后，根據(jù)這樣的方式，零維球面是一維空間（直線)里到某中心等距離的 點(diǎn)的集合。如圖13.2(c)所示，零維的球面只有兩個(gè)點(diǎn)，它的 “半徑”等于每點(diǎn)到公共中心的距離。這樣，上面指的低維類比 說(shuō)的是一個(gè)圓（一維球面）收縮，然后破裂，接著成為兩個(gè)點(diǎn)零維球面圖13. 3具體描繪了這個(gè)抽象的過(guò)程。 我們從一個(gè)面包圈的表面開始，它當(dāng)然包含著--維的球面 (圓），圖13.3突出了一個(gè)?，F(xiàn)在我們想象，隨時(shí)間流逝，圖中 那個(gè)圓開始坍縮，引起空間結(jié)構(gòu)收縮。我們可以像下面那樣來(lái)修 復(fù)陷落的空間結(jié)構(gòu)：讓它在瞬間破裂，然后用零維的球面（兩個(gè)點(diǎn)）取代原來(lái)收縮的一維球面（圓）來(lái)彌合破裂生成的上下兩個(gè) 洞。如圖13.3，這樣的結(jié)果像一只彎曲的香蕉，通過(guò)輕微的變形（沒(méi)有空間破裂），它可以再形成一個(gè)光滑的沙灘皮球樣的表 面。于是我們看到，當(dāng)一維球面坍縮并被零維球面取代時(shí)，原來(lái) 面包圈的拓?fù)?即它的基本形狀）會(huì)發(fā)生巨大改變。在卷縮的空間 維的情形，圖13. 3的空間破裂過(guò)程將使圖8. 8的宇宙演化成為 圖8.7的宇宙。 盡管這是一個(gè)低維類比，但在我們看來(lái)，它還是抓住了莫里 森和我為斯特羅明戈設(shè)想的“事情的另一半”的基本特征?？?丘空間里的三維球面坍縮以后，空間會(huì)破裂，然后它生成一個(gè)二維球面來(lái)修復(fù)自身，那將導(dǎo)致劇烈的拓?fù)涓淖儯然萏俸臀覀冊(cè)?以前的研究（11章討論的）屮發(fā)現(xiàn)的那些變化可怕得多。這樣，從根本上說(shuō)，一個(gè)專-丘空間可以將自己變換成另一個(gè)形態(tài)完全 不同的卡-丘空間——就像圖13.3的面包圈變成沙灘皮球一樣 ——而弦物理學(xué)在變化中仍然保持著良好的表現(xiàn)。雖然顯露了一 點(diǎn)風(fēng)光，但我們知道還有許多重要的方面需要考慮，把它們都弄清楚了，我們才能肯定我們的“事情的另一半”不會(huì)帶來(lái)任何奇 怪的東西——令人厭惡的和物理上不能接受的結(jié)果。那天晚上， 我們各自帶著一時(shí)的歡喜回家了一歡喜我們有了一個(gè)重大的新發(fā)現(xiàn)。 第二天早晨，我收到斯特羅明戈的電子郵件，問(wèn)我對(duì)他的文 章有什么評(píng)論或反應(yīng)。他說(shuō)“它在某種程度h應(yīng)該是與你同阿斯平沃爾和莫里森的工作有關(guān)的”，因?yàn)?，后?lái)我們知道，他也曾 探索過(guò)它跟拓?fù)涓淖儸F(xiàn)象有什么可能的聯(lián)系。我立即給他回了 信，把莫里森和我剛得到的藍(lán)圖向他大概描繪了一下。從回答看，他的興奮顯然跟莫里森和我昨天的心情是一樣的。 接下來(lái)的幾天里，電子郵件如流水似的在我們?nèi)齻€(gè)人之間流 淌，我們?cè)诳駸岬貙で髮⒖臻g破裂的拓?fù)涓淖兯枷雵?yán)格定量地表 達(dá)出來(lái)。所有的細(xì)節(jié)都慢慢然而確定地顯露出來(lái)了。到星期三，也就是斯特羅明戈發(fā)表他發(fā)現(xiàn)的一個(gè)星期后，我們聯(lián)合論文的稿 子已經(jīng)寫好了，它揭示了隨三維球面的坍縮而出現(xiàn)的一種新的巨 大的空間結(jié)構(gòu)變換。 斯特羅明戈原定在第二天去哈佛演講，所以一早就離開圣巴 巴拉了。我們說(shuō)好由莫里森和我繼續(xù)修飾論文，然后在當(dāng)天晚上 在電子檔案上發(fā)表。夜里11:45，我們把計(jì)算反復(fù)校核后，覺(jué)得沒(méi)有問(wèn)題了，便把文章發(fā)出去；我們也走出物理系的大樓。莫里 森和我向我的車走去（他自己在訪問(wèn)期間租了房子，我想送他回去），我們的討論也變得有點(diǎn)兒吹毛求疵了。我們?cè)谙?，如果?人不想接受我們的結(jié)果，最刺耳的批評(píng)會(huì)是什么樣的？我們驅(qū)車 離開停車場(chǎng)，駛出校園時(shí)，才發(fā)現(xiàn)盡管我們的論證很有說(shuō)服力，但也不是完全無(wú)懈可擊的。我們誰(shuí)也沒(méi)想過(guò)它可能會(huì)錯(cuò)，但確實(shí) 感到在文章的某些地方，我們下結(jié)論的語(yǔ)氣和特別的用詞可能會(huì) 招惹不愉快的爭(zhēng)論，從而淡化了結(jié)果的重要性。我們都覺(jué)得文章本來(lái)可以做得更好一些：調(diào)子放低一點(diǎn)，結(jié)論下得溫和一點(diǎn)，讓 物理學(xué)同行自己去判斷文章的優(yōu)劣，而不是讓它像現(xiàn)在那個(gè)樣子 去惹人反感。 車往前開著，莫里森提醒我，根據(jù)電子襠案的規(guī)則，我們可 以在凌晨2: 00以前修改我們的文章，過(guò)后它才在公共網(wǎng)上發(fā)表。我立即調(diào)轉(zhuǎn)車頭，開回物理樓，撤回原來(lái)的文章，開始降低 它的語(yǔ)調(diào)。謝天謝地，這做起來(lái)很容易。在評(píng)論的段落里改換幾 個(gè)詞，就把鋒芒藏起來(lái)了，一點(diǎn)兒也不影響技術(shù)內(nèi)容。不到一個(gè)鐘頭，又把它發(fā)出去了，我們說(shuō)好，在去莫里森家的路上，誰(shuí)也 別再談它。 第二天剛下午時(shí)，我們就發(fā)現(xiàn)文章引起的反響是很熱情的。 在眾多回信里有一封來(lái)自普里澤，他把我們大大恭維了一番，那 可能是一個(gè)物理學(xué)家對(duì)別人最大的公開的贊美：“如果我能想到那一點(diǎn)就好了！”雖然頭一天晚上還在捎心，但我們讓弦理論家 們相信了，空間結(jié)構(gòu)不僅能發(fā)生以前(第11章)發(fā)現(xiàn)的那種“溫 和的”分裂，像圖13. 3簡(jiǎn)單描繪的那種暴烈得多的破裂，也同 樣可能發(fā)生 重回黑洞和基本粒子 上面講的東西與黑洞和基本粒子有什么關(guān)系呢？關(guān)系可多啦。為認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，我們還得問(wèn)自己一個(gè)我們?cè)诘凇截绿岢?過(guò)的問(wèn)題：那樣的空間破裂產(chǎn)生了什么可觀測(cè)的物理結(jié)果？我們已經(jīng)看到，對(duì)翻轉(zhuǎn)變換來(lái)說(shuō)，答案令人驚訝：什么也沒(méi)發(fā)生。對(duì) 于我們新發(fā)現(xiàn)的這種劇烈空間破裂變換——所謂的錐形變換（C0-nifold transition)-結(jié)果還是一樣的，沒(méi)有傳統(tǒng)廣義相對(duì)論會(huì)出現(xiàn)的物理學(xué)災(zāi)難，但有更顯著的看得見(jiàn)的結(jié)果。 這些看得見(jiàn)的結(jié)果背后有兩個(gè)相關(guān)的概念，我們一個(gè)一個(gè)來(lái) 解釋。首先，如我們講的，斯特羅明戈的開拓性突破是他發(fā)現(xiàn)卡 _丘空間里的三維球可能發(fā)生坍縮，卻不會(huì)帶來(lái)災(zāi)難，因?yàn)?“裹”在它外面的3-膜提供了理想的保護(hù)層。但那卷曲的膜像 什么樣子呢?答案來(lái)自霍羅維茨和斯特羅明戈以前的研究，他們?cè)C明，對(duì)我們這些只認(rèn)識(shí)3個(gè)展開的空間維的人來(lái)說(shuō)，“涂” 在三維球面上3-膜將產(chǎn)生一個(gè)引力場(chǎng)，看起來(lái)像一個(gè)黑洞。2 這不是一眼能看出來(lái)的，只有詳細(xì)研究了膜的方程以后才能弄清 楚?？上?，這種高維圖像仍然很難畫在紙上，不過(guò)圖13.4包含 二維球面的低維類比說(shuō)明了大概的意思。我們看到，二維的膜可 以涂抹在二維球面上（球面本身也處在展開維的某個(gè)地方的卡-丘空間里）。如果有人通過(guò)展開維向那個(gè)地方看去，他會(huì)通過(guò)卷 曲膜的質(zhì)量和力荷而感到它的存在，據(jù)霍羅維茨和斯特羅明戈的 圖13.4 膜裹在畚縮維中的球面上時(shí)，看起來(lái)就像展開維里的一個(gè)黑洞。 證明，那些性質(zhì)就像是一個(gè)黑洞的性質(zhì)。而且，斯特羅明戈在他 1995年的突破性論文里還證明了 3 -膜的質(zhì)量——也就是黑洞的 質(zhì)量——正比于它所包圍的三維球面的容積：球面容積越大， 3-膜就需要越大才能裹住它，從而質(zhì)量也變得更大了。同樣， 球面容積越小，包裹它的3-膜的質(zhì)量也越小。于是，當(dāng)球面收縮時(shí)，裹在外面的膜，感覺(jué)起來(lái)像黑洞的膜，似乎該變得越來(lái)越 輕。當(dāng)三維的球面坍縮成一點(diǎn)吋，相應(yīng)的黑洞——請(qǐng)坐穩(wěn)了！ ——也就沒(méi)有質(zhì)量了。盡管聽(tīng)起來(lái)太離奇——世上哪有沒(méi)有質(zhì)量的黑洞?——我們很快會(huì)把它跟我們熟悉的弦物理聯(lián)系起來(lái)。 我們要說(shuō)的第二點(diǎn)是卡-丘空間的孔洞數(shù)目，我們?cè)诘?章 討論過(guò)，它決定著低能量(從而也是低質(zhì)量)弦振動(dòng)模式的數(shù)目， 而那些振動(dòng)模式有可能解釋表1. 1里的粒子和力荷。由于空間破 裂的錐形變換改變了孔洞的數(shù)目（例如，在圖13.3中，面包圈的洞被空間的破裂-修補(bǔ)過(guò)程消去了），我們希望低質(zhì)量的振動(dòng)模 式數(shù)目也會(huì)發(fā)生改變。實(shí)際上，莫里森、斯特羅明戈和我在具體研究這一點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)新生的二維球面取代卷縮的卡-丘空間里 的三維球面時(shí)，無(wú)質(zhì)量的弦振動(dòng)模式恰好增加了 1個(gè)。（圖13.3 中面包圈變成沙灘皮球的例子可能會(huì)讓你覺(jué)得模式數(shù)應(yīng)該減少 ——因?yàn)槎瓷倭?，徂這是低維類比帶來(lái)的誤會(huì)。） 為把上面講的兩點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，我們想象一系列卡-丘空間鏡 頭，在這個(gè)系列中，一個(gè)三維球面正變得越來(lái)越小。我們的第一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)意味著，裹在三維球面上的一張3-膜——在我們看來(lái)像 一個(gè)黑洞——也將越變?cè)叫。詈笤谔s的終點(diǎn)變得沒(méi)有質(zhì)量。不過(guò)，我們還是要問(wèn)，這是什么意思?借助第二點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，答案就 清楚了。我們的研究表明，那個(gè)從空間破裂的錐形變換中新生成的無(wú)質(zhì)量弦振動(dòng)模式就是黑洞轉(zhuǎn)化成的無(wú)質(zhì)量粒子的微觀圖景。 于是我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)卡-丘空間經(jīng)過(guò)空間破裂錐形變換時(shí)，原來(lái)的 大質(zhì)量黑洞會(huì)越來(lái)越輕，最后轉(zhuǎn)化為一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的粒子——如零質(zhì)量的光子——在弦理論中，那不是別的，就是一根以某種特別方式振動(dòng)的弦。這樣，弦理論第一次明確地在黑洞和基本粒子 間建立起了直接具體而且在定量上無(wú)懈可擊的聯(lián)系。 黑洞“消融” 我們發(fā)現(xiàn)的黑洞與基本粒子的這種聯(lián)系，很像我們?cè)缇驮谌?常生活中熟悉了的一種現(xiàn)象，物理學(xué)叫它相變。相變的一個(gè)簡(jiǎn)單 例子是我們?cè)谏弦徽抡劦竭^(guò)的：水能以固體(冰)形式存在，也能 以液體(液態(tài)水）和氣體(蒸氣)形式存在。這些都是水的相，從一 種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，就是相變。莫里森、斯特羅明戈和我證明，這種相變與卡-丘空間從一種形式到另一種形式的空間破 裂錐形變換，存在著密切的數(shù)學(xué)和物理學(xué)的相似。從沒(méi)見(jiàn)過(guò)冰的人，不會(huì)一下子認(rèn)識(shí)它跟水原來(lái)是同一樣?xùn)|西的兩個(gè)不同的相； 物理學(xué)家以前也沒(méi)發(fā)現(xiàn)我們研究的黑洞跟基本粒子原來(lái)是同一弦 物質(zhì)的不同相。環(huán)境的溫度決定水以哪種相的形式存在，類似的，卡-丘空間的拓?fù)湫问健纯臻g的形狀——決定著弦理論 中的某些物理結(jié)構(gòu)是以黑洞還是以基本粒子的形態(tài)表現(xiàn)出來(lái)。就是說(shuō)，在第一種相，即原來(lái)的卡-丘形式(類似于冰的相），我們 看到有黑洞存在；在第二種相，第二種卡-丘形式(類似于液態(tài) 的水），黑洞發(fā)生了相變——可以說(shuō)它“消融” 了——成為基本的弦振動(dòng)模式。經(jīng)過(guò)錐形變換的空間破裂，將我們從一個(gè)卡-丘 空間的相引向另一個(gè)相。在這個(gè)過(guò)程中，我們看到黑洞與基本粒子像冰和水一樣，是同一枚硬幣的兩面。我們看到，黑洞“安 然”走進(jìn)了弦理論的框架。 我們特別用同一個(gè)水的例子來(lái)比喻那些劇烈的空間破裂變換 和5個(gè)弦理論形式間的轉(zhuǎn)移(第12章），因?yàn)楹髢烧哂兄羁痰?聯(lián)系?；叵胍幌拢覀冇脠D12. 11來(lái)說(shuō)明5個(gè)弦理論是相互對(duì)偶 的，從而它們統(tǒng)一在一個(gè)宏大的理論體系下面。但是，假如我們讓多余的維隨便卷縮成哪一個(gè)卡-丘形式，那些理論還能自由地從一種圖景轉(zhuǎn)換到另一種嗎？——我們還能從圖12. 11上的任何 一點(diǎn)出發(fā)達(dá)到別的點(diǎn)嗎?在根本的拓?fù)涓淖兘Y(jié)果發(fā)現(xiàn)以前，人們認(rèn)為答案是否定的，因?yàn)椴恢烙惺裁崔k法讓卡-丘形式連續(xù)地 從一種轉(zhuǎn)變成另一種。但是現(xiàn)在我們看到，答案是肯定的：通過(guò)那些在物理上可能的空間破裂的錐形變換，我們能將任何一個(gè)卡-丘空間連續(xù)地變成另一個(gè)。通過(guò)改變稱合常數(shù)和卷縮的卡?■丘空間 幾何，我們看到所有的弦結(jié)構(gòu)也都是同一理論的不同相。即使所 有多余的空間維都卷縮起來(lái)，圖12. U的統(tǒng)一也是不可動(dòng)搖的。 黑洞熵 多年來(lái)，一些卓有成就的物理學(xué)家都考慮過(guò)空間破裂和黑洞 與基本粒子相關(guān)的可能，盡管這些猜想當(dāng)初聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)， 但弦理論的發(fā)現(xiàn)和它融合廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的能力，使我們可以將那些可能性推向科學(xué)前沿的邊緣。這樣的成功激勵(lì)我們進(jìn) 一步追問(wèn)：我們宇宙的其他一些幾十年沒(méi)能解決的奇妙性質(zhì)，是 不是也將在弦理論的威力面前“屈膝投降”呢?其中最重要的概 念是黑洞熵。這是弦理論大顯神通的舞臺(tái)，它成功解決了困惑了 人們四分之一世紀(jì)的一個(gè)極深刻重要的問(wèn)題。 熵是無(wú)序和隨機(jī)的量度。例如，你桌上高高地堆著些打開的 書，沒(méi)讀完的文章、舊報(bào)紙和舊郵件，那它就處于一種高度無(wú)序 的，即高熵的狀態(tài)。反過(guò)來(lái)，如果文章按字母順序堆成一摞，報(bào)紙按日期一張張放好，書照作者名字順序排列，筆放在筆架上， 那么，你的書桌就處于一種高度有序的，也就是低熵的狀態(tài)。這 個(gè)例子說(shuō)明了熵的大概意思。但物理學(xué)家對(duì)熵有一個(gè)完全定量的定義，使我們可以用確定的數(shù)值來(lái)描述一種事物的熵：數(shù)值越 大，熵越大；數(shù)值越小，熵越小。具體說(shuō)來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜，簡(jiǎn)單地 說(shuō)，表示熵的數(shù)就是一個(gè)物理系統(tǒng)的組成元素在不影響整體表現(xiàn)情況下的所有可能組合方式的數(shù)量。當(dāng)書桌整潔的時(shí)候，任何一點(diǎn)新安排——如改變書報(bào)或文章的堆放順序，從筆架上拿一支筆 ——都會(huì)干擾原來(lái)高度有序的組合。這說(shuō)明原來(lái)的熵很低。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果桌子本來(lái)很亂，隨便你把報(bào)刊文章或郵件怎么翻動(dòng)，它還是那么亂，整體沒(méi)有受到干擾。這說(shuō)明原來(lái)有很高的熵。 當(dāng)然，我們說(shuō)重新安排桌上的書報(bào)文章，決定哪些安排“不 影響整體表現(xiàn)”，是缺乏科學(xué)精確性的。熵的嚴(yán)格定義實(shí)際上包 括數(shù)或者計(jì)算一個(gè)物理系統(tǒng)基本物質(zhì)組成的微觀量子力學(xué)性質(zhì)的可能組合，它們不會(huì)影響整體的宏觀性質(zhì)(如能量和壓力）。細(xì)節(jié) 并不重要，我們只需要認(rèn)識(shí)熵是精確度量物理系統(tǒng)總體無(wú)序性的一個(gè)完全量化的量子力學(xué)概念。 1970年，貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)還在普林斯頓跟惠勒讀研究生，他有一個(gè)大膽的建議。他提出一個(gè)驚人的思想：黑洞 可能有熵，而且量很大。貝肯斯坦的動(dòng)力來(lái)自古老而久經(jīng)考驗(yàn)的 熱力學(xué)第二定律，這個(gè)定律宣告系統(tǒng)的熵總是增大的：事物都朝著更加無(wú)序的狀態(tài)演化。即使你清理好混亂的書桌，減少它的 熵，總熵——包括你身體的和房間里空氣的——實(shí)際上還是增加 了。原來(lái)，清理書桌時(shí)，你得消耗能量；你必須打亂體內(nèi)脂肪的某些分子次序才可能生成肌肉需要的能量。而當(dāng)你清理的時(shí)候， 身體會(huì)散發(fā)熱量，它會(huì)激發(fā)周圍的空氣分子進(jìn)人更高的活動(dòng)和無(wú) 序狀態(tài)。所有這些效應(yīng)都考慮進(jìn)來(lái)，在補(bǔ)充書桌減小的熵之后還335 有多余的，因而總熵增大了。 貝肯斯坦的問(wèn)題大概是，假如我們?cè)诤诙词录暯绲母浇?理好書桌，并用真空泵把房間里的新擾動(dòng)空氣分子抽出來(lái)注人黑 洞內(nèi)部幽暗的角落，那么結(jié)果會(huì)怎樣呢?我們還可以問(wèn)得更極端 一些：假如把房間里所有的空氣、桌上所有的東西甚至連桌子一 起都扔進(jìn)黑洞里去，把你一個(gè)人留在冰冷的空蕩蕩的完全有序的屋子里，結(jié)果又會(huì)怎樣呢?顯然，房間里的熵肯定減少了，貝肯 斯坦認(rèn)為，能滿足第二定律的惟一途徑是黑洞也有熵，當(dāng)物質(zhì)進(jìn)來(lái)時(shí)，它的嫡會(huì)充分增大，足以抵消我們看到的洞外熵的減少。 實(shí)際上，貝肯斯坦可以借助霍金的一個(gè)箸名結(jié)果來(lái)加強(qiáng)他的 猜想?；艚鹪C明，黑洞事件視界——回想一下，那是遮蔽黑洞 的一個(gè)“不歸面”，落下去的東西永遠(yuǎn)也回不來(lái)了——的面積在任何物理相互作用下總是增大的?；艚鹱C明，假如一顆小行星落 進(jìn)一個(gè)黑洞，或者附近恒星的表面氣體被吸積到黑洞，或者兩個(gè) 黑洞碰撞在一起結(jié)合成一個(gè)……在所有這些過(guò)程中，黑洞事件視界的總面積總是增大的。對(duì)貝肯斯坦來(lái)說(shuō)，永遠(yuǎn)朝著更大面積的 方向演化與熱力學(xué)第二定律說(shuō)的永遠(yuǎn)朝著更大的熇的方向演化應(yīng) 該有著聯(lián)系。他指出，黑洞事件視界的面積為它的熵提供了精確的度景。 然而，經(jīng)仔細(xì)考察，多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為貝肯斯坦的思想不可 能是正確的，原因有兩點(diǎn)。第一，黑洞似乎本該是整個(gè)宇宙中最 有序、最有組織的事物。我們測(cè)量黑洞的質(zhì)量、攜帶的力荷和它的自旋，就準(zhǔn)確地確定了它的一切。憑這樣幾個(gè)確定的特征，黑 洞顯然沒(méi)有足夠的結(jié)構(gòu)造成無(wú)序，就像桌上只有一本書、一支鉛 筆，隨便怎么弄也混亂不起來(lái)——黑洞那么簡(jiǎn)單，哪兒來(lái)的無(wú)序呢？貝肯斯坦的建議難以理解的第二個(gè)原因是，我們剛才講過(guò)， 熵是量子力學(xué)概念，而黑洞依然生在對(duì)立的廣義相對(duì)論的原野 里。在70年代初，沒(méi)有什么辦法結(jié)合廣義相對(duì)論與量子力學(xué)，討論黑洞可能的熵至少會(huì)令人感到不安。 黑洞有多黑 如我們所看到的，霍金也想過(guò)他的黑洞面積增大定律與熵增 定律間的相似，但他認(rèn)為那不過(guò)是一種巧合，沒(méi)有別的意思。因 為，在霍金看來(lái)，根據(jù)他的面積增加定律和他與巴丁(James Bardeen) 和卡特爾以前發(fā)現(xiàn)的一些結(jié)果， 假如當(dāng)真承認(rèn)了黑洞定律 與熱力學(xué)第二定律的相似性，我們不僅需要把黑洞事件視界的面積當(dāng)作黑洞的熵，還得為黑洞賦予一定的溫度(它的準(zhǔn)確數(shù)值由黑洞在事件視界的引力場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)決定）。但是，假如黑洞具有非零的溫度——不論多小——那么，根據(jù)最基本可靠的物理學(xué)原 理，它必然發(fā)出輻射，就像一根發(fā)熱的鐵棒。然而，誰(shuí)都知道， 黑洞是黑的，不會(huì)發(fā)出任何東西?；艚鸷筒畈欢嗨械娜硕颊J(rèn)為，這一點(diǎn)絕對(duì)排除了貝肯斯坦的建議。另一方面，霍金更愿意 相信，如果有熵的物質(zhì)被扔進(jìn)黑洞，那么熵也失去了，這樣不是 更清楚更簡(jiǎn)單嗎?熱力學(xué)第二定律，也在這兒了結(jié)了。 不過(guò)，1974年，霍金發(fā)現(xiàn)了真令人覺(jué)得奇怪的事情。他宣 布，黑洞并不完全是黑的。如果不考慮量子力學(xué)，只根據(jù)經(jīng)典的廣義相對(duì)論的定律，那么像大約60年前發(fā)現(xiàn)的那樣，黑洞當(dāng)然 不會(huì)允許任何事物——包括光——逃出它的引力的掌握。但量子力學(xué)的考慮會(huì)極大改變這樣的結(jié)論。雖然霍金也沒(méi)有一個(gè)廣義相 對(duì)論的量子力學(xué)體系，但他還是憑著兩個(gè)理論的部分結(jié)合得到了 有限然而可靠的結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)的最重要結(jié)果是，黑洞確實(shí)在以量子力學(xué)的方式發(fā)出輻射。 霍金的計(jì)算冗長(zhǎng)而艱難，但基本思想?yún)s很簡(jiǎn)單。我們知道， 不確定性原理使虛空的空間也充滿了沸騰和瘋狂的虛粒子，它們 在瞬間產(chǎn)生，然后在瞬間湮滅。這種緊張的量子行為也出現(xiàn)在黑洞事件視界周圍的空間區(qū)域。然而霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞的引力可以將 能量注人虛光子，就是說(shuō)能把兩個(gè)粒子分開得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的，使其中一 個(gè)落進(jìn)黑洞。一個(gè)伙伴落逬黑洞深淵，光子對(duì)的另一個(gè)光子失去了湮滅的伙伴。霍金證明，剩下的那個(gè)光子將從黑洞的引力獲得 能量和動(dòng)力，在伙伴落向黑洞時(shí)，它卻飛離了黑洞?；艚鸢l(fā)現(xiàn)， 從遙遠(yuǎn)的安全地方看著黑洞的人會(huì)看到，虛光子對(duì)分裂的最終結(jié)果是從黑洞發(fā)射出一個(gè)光子。這樣的過(guò)程反反復(fù)復(fù)在黑洞視界的 周圍發(fā)生，從而形成一股不斷的輻射流。黑洞發(fā)光了。 另外，霍金還能計(jì)算黑洞的溫度——從遠(yuǎn)處的觀測(cè)者看，即 與輻射相應(yīng)的溫度——它由黑洞視界處的引力場(chǎng)強(qiáng)度決定，那還 是黑洞物理學(xué)的定律與熱力學(xué)定律之間的相似性所要求的。貝肯斯坦對(duì)了：霍金的結(jié)果說(shuō)明應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待那種相似。實(shí)際上，這些結(jié)果說(shuō)明那不僅僅是一種相似——本來(lái)就是同一樣的東西。 黑洞有熵。黑洞也有溫度。黑洞物理學(xué)的引力定律不過(guò)是熱力學(xué) 定律在極端奇異的引力背景下的另一種表達(dá)形式。這是霍金 1974年的驚人發(fā)現(xiàn)。 現(xiàn)在我們來(lái)看那些暈有多大。當(dāng)我們仔細(xì)研究了所有細(xì)節(jié)， 可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量約為3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，溫度大約比絕對(duì)零度高一億分之一度，不是零，但小得可憐；黑洞不黑，但一點(diǎn)兒也 不亮。遺憾的是，這樣低溫的輻射太微弱了，不可能在實(shí)驗(yàn)中探 測(cè)出來(lái)。不過(guò)，也有例外。霍金的計(jì)算還說(shuō)明，黑洞質(zhì)量越小，它的溫度越高，從而輻射越強(qiáng)。例如：一顆小行星質(zhì)量的黑洞會(huì) 產(chǎn)生大約1萬(wàn)噸氫原子彈的輻射，輻射主要集中在電磁波的7 射線部分。天文學(xué)家在夜空尋找過(guò)這些輻射，但除了少數(shù)希望渺 茫的可能性而外，什么也沒(méi)找到。這似乎意味著，那樣低質(zhì) 量的黑洞即使有也是罕見(jiàn)的。4正如霍金常開玩笑說(shuō)的，這太 糟糕了。如果他預(yù)言的黑洞輻射哪天找到了，他肯定會(huì)得諾 貝爾獎(jiǎng)。 大質(zhì)量黑洞的溫度在百萬(wàn)分之一度以下，而熵卻與它相反。 例如，我們計(jì)算3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的熵，結(jié)果大得驚人： 10' 1后面跟78個(gè)零！質(zhì)量越大，熵越大。霍金的汁算確鑿地 證明了一點(diǎn)，它真實(shí)反映了黑洞包含的無(wú)序是多么巨大！ 但那是什么的無(wú)序呢?我們已經(jīng)看到，黑洞看起來(lái)是特別簡(jiǎn) 單的東西，那么嚇人的無(wú)序是從哪兒產(chǎn)生出來(lái)的？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，霍金的計(jì)算什么也沒(méi)說(shuō)。他那廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的部分 結(jié)合可以用來(lái)計(jì)算黑洞嫡的數(shù)值，怛不能解釋它的微觀意義。20 多年里，一些大物理學(xué)家曾試著去認(rèn)識(shí)黑洞的哪些微觀性質(zhì)可能解釋熵的意義。但是，在沒(méi)能將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論完全可信地結(jié)合起來(lái)以前，雖然能看到答案的▲點(diǎn)兒影子，那謎卻還藏在 背后。 走進(jìn)弦理論 那謎直到1996年才揭開。那年，斯特羅明戈和瓦法在蘇斯 金和森以前發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，向物理學(xué)電子檔案發(fā)了一篇文章，題目是“貝肯斯坦-霍金熵的微觀起源”。在這篇文章里，他們用 弦理論認(rèn)定了某一類黑洞的微觀組成，準(zhǔn)確計(jì)算了相應(yīng)的熵。他339 們的研究依賴丁一種新發(fā)現(xiàn)的方法，它部分超越了 20世紀(jì)80年 代和90年代初的微擾近似。他們的結(jié)果完全符合貝肯斯坦和霍 金的預(yù)言，終于完成了 20多年前沒(méi)能両完的圖。 斯特羅明戈和瓦法集中考慮了一類所謂的極端的黑洞。這是 一些帶荷(你也可認(rèn)為是電荷）的黑洞，而且有與荷相應(yīng)的可能最小的質(zhì)量組成。從這個(gè)定義，你可以看出它們與第12章討論的 BPS態(tài)是密切相關(guān)的。實(shí)際上，斯特羅明戈和瓦法徹底研究過(guò)兩者的相似性。他們證明，他們能從一個(gè)特別的(具有一定維數(shù)的） BPS膜出發(fā)構(gòu)造——當(dāng)然是在理論上——某些極端的黑洞，并照 準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)藍(lán)圖將它們結(jié)合在一起。我們知道構(gòu)造原子——當(dāng)然，還是在理論上——可以從一堆夸克和電子開始，將它們組合 成質(zhì)子和中子，然后在周圍安排一些沿軌道運(yùn)動(dòng)的電子；同樣， 斯特羅明戈和瓦法證明，弦理論中新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)基元如何能以類 似的方法結(jié)合起來(lái)形成特別的黑洞。 實(shí)際上，黑洞是星體演化的一種終結(jié)產(chǎn)物。恒星經(jīng)過(guò)幾十億 年的核聚變?nèi)急M它所有的核燃料以后，就不再有力量——向外的 壓力——抵抗強(qiáng)大的向內(nèi)的引力。在不同的條件下，這都將導(dǎo)致恒星巨大質(zhì)量的災(zāi)難性坍縮；它在自身重量下坍縮，最后形成黑 洞。斯特羅明戈和瓦法沒(méi)有用這樣現(xiàn)實(shí)的方法來(lái)生成黑洞，他們 說(shuō)的是“設(shè)計(jì)者”的黑洞。他們改變了黑洞的形成法則；他們憑著理論家的想象，仔細(xì)地、慢慢地、一點(diǎn)一點(diǎn)地將從第二次超弦革命中涌現(xiàn)出來(lái)的高維膜縫合在一起，系統(tǒng)地構(gòu)造了需要的黑洞。 這種方法的力量很快就顯露出來(lái)了。在完全由理論決定的黑 洞微觀構(gòu)造的前提下，斯特羅明戈和瓦法可以很容易地直接計(jì)算 黑洞微觀構(gòu)成在不影響整體可觀測(cè)性質(zhì)(質(zhì)量和力荷)時(shí)的組合方 式。然后，他們可以拿組合方式的數(shù)目與黑洞視界的面積——即貝肯斯坦和霍金預(yù)言的熵——進(jìn)行比較，他們發(fā)現(xiàn)，結(jié)果是完全 相符的。至少對(duì)那類極端的黑洞，斯特羅明戈和瓦法成功運(yùn)用弦 理論準(zhǔn)確解釋了它們的微觀組成和相應(yīng)的熵。一個(gè)困惑人們四分之一世紀(jì)的問(wèn)題就這樣解決了。 許多弦理論家把這一成功看作支持弦理論的一個(gè)重要而令人 信服的證據(jù)。我們對(duì)弦理論的認(rèn)識(shí)還太淺，不可能與實(shí)驗(yàn)觀測(cè) (如夸克和電子的質(zhì)量)建立直接準(zhǔn)確的聯(lián)系。但我們現(xiàn)在看到， 弦理論為發(fā)現(xiàn)多年的一種黑洞性質(zhì)提供了第一個(gè)基本解釋，那是 物理學(xué)家多年來(lái)用傳統(tǒng)方法一直沒(méi)能解決的。另一方面黑洞的這個(gè)性質(zhì)緊密聯(lián)系著霍金關(guān)于黑洞輻射的預(yù)言，而那個(gè)預(yù)言在原則 上是能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀測(cè)的。當(dāng)然，這需要我們?cè)谔炜沾_定地 找到黑洞，然后構(gòu)造足夠靈敏的儀器來(lái)探測(cè)它發(fā)出的輻射。如果黑洞質(zhì)量足夠小，后一步憑今天的技術(shù)是容易實(shí)現(xiàn)的。即使 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃還沒(méi)有成功，它也再一次強(qiáng)調(diào)了弦理論與關(guān)于自然世 界的確定性物理結(jié)果之間的鴻溝是能夠填補(bǔ)的。甚至格拉肖這位 20世紀(jì)80年代以來(lái)一直反對(duì)弦理論的物理學(xué)家最近也說(shuō)：“當(dāng) 弦理論家談?wù)摵诙磿r(shí)，他們幾乎就是在談可觀測(cè)現(xiàn)象——那是令人驚奇的?！?/font> 黑洞未解之謎 即使取得了那些令人驚喜的進(jìn)步，黑洞還有兩個(gè)百年老問(wèn)題。一個(gè)是關(guān)于黑洞對(duì)決定論概念的沖擊。19世紀(jì)初，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯(Pierre-Simon de丨^aplace)提出f在牛頓運(yùn)動(dòng)定律 下像時(shí)鐘一樣運(yùn)行的宇宙所能帶來(lái)的最嚴(yán)格也走得最遠(yuǎn)的結(jié)果。 理性能認(rèn)識(shí)某一時(shí)刻所有令自然洋溢生機(jī)的力和組 成它的存在物的狀態(tài)，如果理性足夠強(qiáng)大，可以將那些 數(shù)據(jù)用來(lái)分析，那么它能將一切運(yùn)動(dòng)，從宇宙中最大的 物體到最小的原子，都包含在同一個(gè)公式里。對(duì)這樣的理性來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么不確定的東西，將來(lái)與過(guò)去一樣， 它都看得見(jiàn)。 換句話說(shuō)，如果知道宇宙每個(gè)粒子在某一時(shí)刻的位置和速度，我 們就可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律——至少在原則上——來(lái)確定它們?cè)谶^(guò) 去或未來(lái)任何時(shí)刻的位置和速度。從這樣的觀點(diǎn)看，一切事情的發(fā)生，從太陽(yáng)的形成到耶穌釘上十字架，到你的眼睛讀過(guò)這一行 文字，都嚴(yán)格遵從大爆炸瞬間過(guò)后宇宙各種粒子組成的位置和速 度。這種嚴(yán)格的一步步展開的宇宙觀跳出了令人困惑的關(guān)于自由意志的各種哲學(xué)泥潭，但它的重要性卻因量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)而大大 消減了。我們看到，海森堡的不確定性原理從根本上否決了拉普 拉斯的決定論，因?yàn)槲覀儚母旧险f(shuō)不可能知道宇宙組成物質(zhì)的準(zhǔn)確位置和速度。相反，那些經(jīng)典的性質(zhì)被量子波函數(shù)取代了， 它只能告訴我們某個(gè)粒子在這里或那里，有這樣或那樣的速度。 然而，拉普拉斯觀的破滅并沒(méi)有讓決定論的思想徹底失敗。 波函數(shù)——量子力學(xué)的幾率波——的演化仍然遵從準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)法 則，如薛定諤方程(或者它更準(zhǔn)確的伙伴，狄拉克方程和克萊茵 -戈登方程）。這告訴我們，量子決定論取代了拉普拉斯的經(jīng)典決定論：宇宙基本組成在某一時(shí)刻的波函數(shù)的信息能讓“足夠強(qiáng)大的”理性去決定以前或未來(lái)任何時(shí)刻的波函數(shù)。量子決定論告 訴我們，任何特別事件在未來(lái)某一時(shí)刻發(fā)生的幾率完全決定于以 前任何時(shí)刻的波函數(shù)知識(shí)。量子力學(xué)的幾率觀極大地弱化了拉普拉斯的決定論，它將“注定的結(jié)果”變成“注定的結(jié)果的幾率”，不 過(guò)在傳統(tǒng)的量子理論框架下，那“幾率”還是被完全決定了的。 1976年，霍金宣布，即使這個(gè)弱化的決定論也因黑洞的存 在而被破壞了。背后的計(jì)算當(dāng)然還是很困難，但基本思想?yún)s相當(dāng) 簡(jiǎn)單。當(dāng)事物落進(jìn)黑洞時(shí)，它的波函數(shù)也跟著被吸收了。這意味著在尋求未來(lái)所有時(shí)刻波函數(shù)的過(guò)程中，我們“足夠強(qiáng)大的”理 性也難免會(huì)迷失。為完整地預(yù)言未來(lái)的波函數(shù)，我們需要完全地 了解今天的波函數(shù)。但是如果有些波函數(shù)陷人了黑洞的深淵，它們包含的信息也跟著丟失了。 乍看起來(lái)，黑洞帶來(lái)的麻煩似乎不值得憂慮。因?yàn)楹诙词录?視界背后的一切事物都從我們的宇宙“分離出去了”，我們忽略 這些不幸的“墜落者”，有什么不行的嗎?另外，從哲學(xué)上講， 我們似乎滿可以告訴自己，宇宙并沒(méi)失去那些落入黑洞的物質(zhì)所 攜帶的信息，它們不過(guò)被鎖進(jìn)了一個(gè)我們理性的生命不愿面對(duì)的空間區(qū)域。在霍金發(fā)現(xiàn)黑洞并不全黑以前，這種說(shuō)法當(dāng)然沒(méi)有問(wèn) 題。但霍金向全世界說(shuō)了，黑洞會(huì)輻射，事情就不一樣了。輻射 攜帶著能量，所以黑洞在輻射時(shí)會(huì)慢慢減小質(zhì)量——慢慢地“蒸發(fā)”。這樣，從黑洞中心到事件視界的距離會(huì)慢慢收縮；當(dāng)這遮 蔽黑洞的外衣收縮時(shí)，原來(lái)從宇宙中分離出去的部分空間又能回 到我們的宇宙舞臺(tái)中來(lái)了。于是，我們的哲學(xué)考慮必須面對(duì)這樣一個(gè)問(wèn)題：被黑洞吞沒(méi)的事物所攜帶的信息——我們想象隱藏在 黑洞內(nèi)部的那些數(shù)據(jù)資料——會(huì)因黑洞蒸發(fā)而重新出現(xiàn)嗎?量子決定論的成立需要這些失去的信息，所以，這個(gè)問(wèn)題深入到了另 一個(gè)問(wèn)題的核心：黑洞是否給我們宇宙的演化帶來(lái)了越來(lái)越深層 的偶然性因素？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的答案，我寫這本書時(shí)物理學(xué)家還眾說(shuō)紛紜。多年來(lái)，霍金強(qiáng)烈主張那些信息不會(huì)再出來(lái)了——黑洞破壞了信 息，“在普通的M?子理論的不確定性t又給物理學(xué)增添了新的層 次的不確定性?！?0實(shí)際上，霍金和加州理工學(xué)院的索恩（Kip Thorne)跟同在加州理工的普雷斯基爾(John Preskill)就黑洞所獲信息的問(wèn)題打了一個(gè)賭?；艚鸷退鞫髡J(rèn)為那些信息永遠(yuǎn)地消失 了，而普雷斯基爾則站在相反的立場(chǎng)上，主張那些信息在黑洞輻 射和收縮時(shí)還能找回來(lái)。賭注呢?還是“信息”：“輸家向贏家 提供一部贏家選擇的百科全書”。 賭局還沒(méi)分出輸贏，不過(guò)霍金最近承認(rèn)，根據(jù)我們上面討論 的弦理論對(duì)黑洞的新認(rèn)識(shí)，那些信息有可能找到一條重新出現(xiàn)的 路徑。新看法是這樣的：對(duì)斯特羅明戈和瓦法研究的（后來(lái)許多物理學(xué)家也跟著研究過(guò))那類黑洞來(lái)說(shuō)，信息可以貯藏在高維 膜里，并能從那里還原。斯特羅明戈最近說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)“使許多弦理論忍不住要?dú)g呼勝利了——信息在黑洞蒸發(fā)時(shí)回來(lái)了。在我 看來(lái)，結(jié)論還下得太早。為弄清這是否正確，我們還有許多事情要 做?！雹弁叻ㄒ餐猓f(shuō)，他“不懂這個(gè)問(wèn)題——哪種情況都是可能的?！雹芑卮疬@個(gè)問(wèn)題是當(dāng)前研究的中心S標(biāo)。如霍金講的，多數(shù)物理學(xué)家都愿意相信那信息不會(huì)丟失，因?yàn)檫@ 樣能使世界安寧，可以預(yù)言。但我相信，如果認(rèn)真對(duì)待愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，我們一定允許另外的可能：時(shí) 空本身打成結(jié)，而信息消失在結(jié)中。決定信息是否真會(huì)丟失，是今天理論物理學(xué)的一個(gè)主要問(wèn)題。 第二個(gè)未解的黑洞之謎是關(guān)于黑洞中心點(diǎn)的時(shí)空本性。6直 接像史瓦兩1916年那樣應(yīng)用廣義相對(duì)論，可以證明擠壓在黑洞中心的臣大質(zhì)量和能量將導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吞噬一切的裂隙，卷 曲成一種無(wú)限曲率的狀態(tài)——陷入一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)。根據(jù)這一點(diǎn)， 物理學(xué)家可以得出的一個(gè)結(jié)論是，因?yàn)樗写┻^(guò)事件視界的物質(zhì)都注定要落向黑洞屮心，（W那里的物質(zhì)沒(méi)有未來(lái)，所以時(shí)間本身 也在黑洞中心走到了盡頭。還有些物理學(xué)家，這些年來(lái)用愛(ài)因斯坦方程探索了黑洞中心的性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有點(diǎn)瘋狂的結(jié)果： 黑洞的中心可能隱約地聯(lián)著另一個(gè)宇宙的入口。大概地說(shuō)，我們宇 宙時(shí)間在哪里結(jié)束，相聯(lián)的另一個(gè)宇宙的時(shí)間就從哪里開始。 在下一章里我們會(huì)討論這些令人難以想象的結(jié)果有什么意 義。不過(guò)現(xiàn)在我們只談重要的一點(diǎn)。我們必須記住關(guān)鍵的一課： 在極端的大質(zhì)量、小尺度下，密度大得難以想象，從而不能單獨(dú)考慮愛(ài)因斯坦的經(jīng)典理論，還必須同時(shí)考慮暈子力學(xué)。這將我們 引向一個(gè)問(wèn)題：關(guān)于黑洞中心的時(shí)空奇性，弦理論有什么說(shuō)法 呢?這也是目前正在研究的一個(gè)課題，跟信息丟失問(wèn)題一樣，還沒(méi)有答案。弦理論靈巧地處理過(guò)另外形式的奇異性——我們?cè)诘?11章和本章第一部分討論過(guò)的那些空間破裂。7但認(rèn)識(shí)一種奪性 并不意味著認(rèn)識(shí)別的奇性。宇宙的結(jié)構(gòu)能以不同的方式產(chǎn)生破 裂。弦理論為某些奇性帶來(lái)了深刻的認(rèn)識(shí)，但另一些奇性，如黑洞的奪點(diǎn)，至今還躲在弦理論之外。根本的原因還是弦理論太依 賴于微擾的工具，在這個(gè)問(wèn)題上，那些近似的方法弱化了我們的 能力，從而不能可靠而完全地分析在黑洞中心所發(fā)生的事情。 然而，隨著最近非微擾方法的巨大進(jìn)步和它們?cè)诤诙雌渌?面的成功應(yīng)用，弦理論家滿懷信心地希望能在不遠(yuǎn)的將來(lái)揭開黑洞中心的秘密。 |
第14章宇宙學(xué)的沉思 人類自古以來(lái)就渴望認(rèn)識(shí)宇宙的起源。也許沒(méi)有哪個(gè)問(wèn)題像 這樣超越文化和時(shí)代的分隔，它喚起祖先的想象，也引發(fā)今天宇 宙學(xué)家的沉思。從深層說(shuō)，人們渴望解釋為什么會(huì)有一個(gè)宇宙，它是如何成為我們看到的那個(gè)樣子的，它是因?yàn)槭裁础裁丛?理——而演化的。令人驚喜的是，人類今天看到一個(gè)正在顯露 的、能科學(xué)地回答那些問(wèn)題的框架。 今天人們接受的宇宙創(chuàng)生的科學(xué)理論認(rèn)為，宇宙在最初的瞬 間經(jīng)歷過(guò)最極端的條件——巨大的能量、極高的溫度和極大的密 度。就我們今天的認(rèn)識(shí)，這些條件把量子力學(xué)和引力都牽引到一起了，宇宙的誕生從而成為超弦理論盡情表現(xiàn)的大舞臺(tái)。我們馬 上要來(lái)討論那些新奇的發(fā)現(xiàn)，但我們還是先回顧一下弦理論以前 的宇宙學(xué)，也就是人們常說(shuō)的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。 宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型 宇宙起源的現(xiàn)代理論應(yīng)追溯到愛(ài)因斯坦完成廣義相對(duì)論 15年以后。盡管愛(ài)因斯坦并不相信他自己的理論而接受它包含一個(gè)既不永恒也非靜態(tài)的宇宙，但弗里德曼卻那么做了。如我們?cè)?第3章討論的，弗里德曼發(fā)現(xiàn)了我們現(xiàn)在說(shuō)的愛(ài)因斯坦方程的大爆炸解——它聲稱宇宙是從一個(gè)無(wú)限壓縮的狀態(tài)下爆出來(lái)的，現(xiàn) 在還處于那場(chǎng)原始大爆炸引起的膨脹中。愛(ài)因斯坦堅(jiān)信他的理論 不會(huì)有這樣隨時(shí)間而演化的解，他發(fā)表一篇短文說(shuō)發(fā)現(xiàn)了弗里德曼的結(jié)果有個(gè)致命的毛病。不過(guò)，8個(gè)月以后，弗里德曼說(shuō)服了 愛(ài)因斯坦，他的東西確實(shí)沒(méi)有毛?。粣?ài)因斯坦公開認(rèn)了錯(cuò)，但有點(diǎn)兒漫不經(jīng)心的樣子。不管怎么說(shuō)，我們可以清楚地感到，愛(ài)因 斯坦認(rèn)為弗里德曼的結(jié)果跟宇宙沒(méi)有一點(diǎn)兒聯(lián)系。但是5年以后，哈勃用威爾遜山天文臺(tái)的254厘米望遠(yuǎn)鏡詳細(xì)觀測(cè)了幾十 個(gè)星系，證明宇宙確實(shí)在膨脹著。弗里德曼的結(jié)果后來(lái)由物理學(xué)家羅伯遜（Howard Robertson)和沃克(Arthur Walker)寫成更 系統(tǒng)更有效的形式，至今還是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。 讓我們把宇宙起源的現(xiàn)代理論說(shuō)得更詳細(xì)一點(diǎn)兒。大約150 億年以前，宇宙所有的空間和物質(zhì)從一次奇異的大能量事件爆發(fā)出來(lái)。（你用不著去尋找大爆炸發(fā)生在什么地方，因?yàn)樗l(fā)生在 你今天所在的地方，也發(fā)生在任何別的地方；我們今天看來(lái)分離 的不同地方，在宇宙開始的時(shí)候都是同一個(gè)地方。）大爆炸過(guò)后 IO-43秒，即所謂的普朗克時(shí)間，宇宙的溫度算出來(lái)是大約1032 開爾文（K),比太陽(yáng)內(nèi)部的溫度還高10億億億（1025)倍。然后，宇宙隨時(shí)間膨脹冷卻，在這個(gè)過(guò)程中，均勻熾熱的原初宇宙等離 子體開始聚集成團(tuán)，形成旋渦。大約十萬(wàn)分之一秒后，物質(zhì)已變 得足夠冷了（大約10萬(wàn)億K——比太陽(yáng)內(nèi)部溫度高100萬(wàn)倍），夸克可以3個(gè)成團(tuán)地聚在一起，形成質(zhì)子和中子。百分之一秒后，周期表里最輕的一些元素的核也夠條件從冷卻的粒子等離子體中凝結(jié)出來(lái)。在接下來(lái)的3分鐘里，宇宙逐漸冷卻到10億 K，出現(xiàn)最多的核是氫和氦，同時(shí)也帶著些氘（“重”氫）和鋰。 這就是所謂的原初核合成時(shí)期。 接下來(lái)的幾十萬(wàn)年沒(méi)發(fā)生什么特別的事情，宇宙還是在膨 脹、冷卻。但是，當(dāng)溫度降到幾千K時(shí)，洶涌的電子流慢慢流向原子核(多數(shù)是氫和氦），原子核捕獲住它們，第一次形成電中 性的原子。這是重要的一刻：大體上說(shuō)，從這一時(shí)刻開始，宇宙變得透明了。在電子捕獲這一幕之前，宇宙充滿了帶電的等離子 體——有些帶正電，如原子核；有些帶負(fù)電，如電子。只與帶電 體發(fā)生相互作用的光子，落在深深的帶電粒子的汪洋里，不停歇地碰撞擠壓，要么被偏轉(zhuǎn)，要么被吸收，幾乎穿越不了多少距 離。因?yàn)閹щ娏Ｗ拥钠琳献饔?，光子不能自由運(yùn)動(dòng)，所以宇宙幾 乎完全是不透明的，就像在經(jīng)歷濃霧彌漫的早晨，或者遮天蔽日的沙塵暴。但是，當(dāng)帶負(fù)電的電子走進(jìn)帶正電的核的軌道，生 成電中性的原子以后，帶電的屏障消失了，濃霧散開了。從那 時(shí)起，來(lái)自大爆炸的光子就無(wú)阻礙地漫游，整個(gè)宇宙也慢慢清澈明亮了。 約10億年以后，宇宙已基本從沸騰的暴發(fā)狀態(tài)安靜下來(lái) 了，星系、恒星和行星終于一個(gè)個(gè)從原初元素的引力束縛堆里產(chǎn)生出來(lái)。大爆炸150億年后的今天，我們也來(lái)了，在驚嘆宇宙壯 麗的同時(shí)，也驚訝我們自己能一點(diǎn)點(diǎn)地樹起一個(gè)合理的而且能經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的宇宙起源理論。 但是實(shí)在說(shuō)來(lái)，我們對(duì)大爆炸理論該有幾分信賴呢？ 大爆炸的檢驗(yàn) 用最大的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家可以在天空看到大爆炸幾十億年 后的星系和類屋體發(fā)出的光，這樣他們可以驗(yàn)證那個(gè)時(shí)期以來(lái)的宇宙膨脹，結(jié)果都是“真的”。為了檢驗(yàn)更早時(shí)間的理論，物理學(xué)家和天文學(xué)家必須用更間接的方法，其中最精妙的一個(gè)方法牽 涉到所謂的宇宙背景輻射。 你一定給自行車胎打過(guò)氣，打滿氣的車胎摸起來(lái)有點(diǎn)兒熱。 打氣時(shí)耗去的能量有一部分轉(zhuǎn)化來(lái)增加了車胎里空氣的溫度。這 反映了一個(gè)普遍的原理，在很多條件下，被壓縮的事物會(huì)變熱。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果什么東西解壓了——膨脹——它就會(huì)冷卻?？照{(diào) 和冰箱用的也是這個(gè)原理。工作物質(zhì)（如氟利昂）經(jīng)過(guò)循環(huán)的壓 縮、膨脹（同時(shí)也蒸發(fā)或凝結(jié)），可以讓熱朝向需要的方向流動(dòng)。這樣地球上尋常簡(jiǎn)單的物事實(shí)，原來(lái)也令人驚奇地發(fā)生在整個(gè) 宇宙。 我們剛才講過(guò)，當(dāng)電子與核結(jié)合成原子以后，光子就自由自 在地在整個(gè)宇宙中穿行。這意味著宇宙充滿了 “光子氣”，它們 沿這樣或那樣的路徑旅行，均勻地灑滿宇宙的每個(gè)地方。宇宙膨脹時(shí)，自由奔流的光子氣也跟著膨脹，因?yàn)閺谋举|(zhì)上說(shuō)，宇宙就 是它的一個(gè)大容器。一般氣體(如輪胎里的空氣)的溫度在膨脹時(shí) 會(huì)降低，同時(shí)，光子氣的溫度也會(huì)隨宇宙膨脹而降低。實(shí)際上， 蓋莫夫和他的學(xué)生阿菲爾（Ralph Alpher)、赫爾曼（Robert Her-mann)在20世紀(jì)50年代，以及迪克（Robert Dicke)和皮貝斯（Jim Peebles)在60年代，就發(fā)現(xiàn)我們今天的宇宙應(yīng)該是一個(gè)原始光子的汪洋，它的溫度經(jīng)過(guò)150億年的宇宙膨脹已經(jīng)冷卻到了可憐的 絕對(duì)零度以上幾度。丨1965年，新澤西貝爾實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯 (Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)偶然做出了我們時(shí)代的~' 349 個(gè)最重要的發(fā)現(xiàn)。他們?cè)趯ふ覠o(wú)線電通訊干擾的原因時(shí)，偶然探測(cè)到了大爆炸留下的余溫。后來(lái)，理論和實(shí)驗(yàn)都更精密了，在 20世紀(jì)90年代初還用美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA)的“宇宙背 景探索者”（COIiE)衛(wèi)星進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，物理學(xué)家和天文學(xué)家在很高精度上證實(shí)了我們的宇宙確實(shí)充滿著微波輻射 (假如我們的眼睛足夠靈敏，就可以看見(jiàn)我們周圍的點(diǎn)點(diǎn)微光），溫度大約是2. 7K，正符合大爆炸理論的預(yù)言。具體地說(shuō)，在宇 宙的每個(gè)立方米——包括你占據(jù)的那個(gè)——大約有4億個(gè)光子， 它們一起匯成宇宙微波輻射的汪洋，蕩漾著宇宙創(chuàng)生的回響。當(dāng) 電視臺(tái)沒(méi)有節(jié)目時(shí)，你看到熒屏上的那些“雪花”，有的就來(lái)自大爆炸遺留下的暗淡微波。理論與實(shí)驗(yàn)的一致，證實(shí)了大爆炸之后(ATB, after the bang)幾十萬(wàn)年以來(lái)-光子第一次在宇宙自由穿行以來(lái)——宇宙演化的圖景。 我們對(duì)大爆炸理論的檢驗(yàn)還能證明追溯到更早的時(shí)間嗎？ 能。通過(guò)核理論和熱力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)原理，物理學(xué)家可以很確定地預(yù) 言在原初核合成階段（ATB百萬(wàn)分之一秒到幾分鐘之間）產(chǎn)生的 輕元素的相對(duì)豐度。例如，根據(jù)理論，宇宙大約23%的元素應(yīng)該是氦。通過(guò)恒星和星云中氦豐度的測(cè)量，天文學(xué)家獲得了令人 信服的支持，預(yù)言確實(shí)是正確的。不過(guò)，也許更令人驚訝的是理 論關(guān)于氘豐度的預(yù)言和證實(shí)，因?yàn)槌舜蟊ㄒ酝猓坪鯖](méi)有別的天體物理學(xué)過(guò)程能說(shuō)明氘的出現(xiàn)——雖然量很小，但宇宙到處 都有。這些豐度（以及最近鋰豐度）的證實(shí)，很好地檢驗(yàn)了我們對(duì) 原初核合成以來(lái)的宇宙物理的認(rèn)識(shí)。 這些足夠我們驕傲的了。我們掌握的所有數(shù)據(jù)都證明，我們 的宇宙學(xué)理論能描繪宇宙從ATB的0. 01秒到大約150億年后的 今天的演化圖景。不過(guò)，我們還應(yīng)該看到，新生的宇宙是在瞬息間演化的。我們宇宙100多億年來(lái)持續(xù)的特征，在大爆炸初很短 的時(shí)間里——比0.01秒還短得多——就第一次深深留下了印跡。所以，物理學(xué)家還在往前走，試圖弄清更早時(shí)期的宇宙。當(dāng) 我們追溯更早的時(shí)間，宇宙更小、更熱、更緊，于是更迫切需要 量子力學(xué)來(lái)準(zhǔn)確描寫那時(shí)的物質(zhì)和力。在前面的章節(jié)我們看到，點(diǎn)粒子量子場(chǎng)論在點(diǎn)粒子能量一般地處于普朗克能量附近時(shí)還能 適用。在宇宙學(xué)背景下，普朗克能量出現(xiàn)在整個(gè)宇宙都?jí)嚎s在普 朗克尺度的一小團(tuán)時(shí)，這時(shí)候的密度需要我們發(fā)揮想象，找些比喻才能感覺(jué)得到它有多大——在普朗克時(shí)刻，宇宙的密度可以用一個(gè)字來(lái)說(shuō)，那就是“大”。在這樣巨大的能量和密度下，引力 論和量子力學(xué)不能再像點(diǎn)粒子量子場(chǎng)論那樣，看作兩個(gè)分立的理論。實(shí)際上，本書的中心思想就是，在這些高能狀態(tài)下，我們一 定要用弦理論。用現(xiàn)在的話來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們追溯到ATB的IO-43秒 (普朗克時(shí)間）以下時(shí)，會(huì)碰到那樣的能量和密度，因此，宇宙最 早的瞬間原是弦理論的舞臺(tái)。 我們先還是來(lái)看，在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，宇宙從普朗克時(shí) 間以后到ATB的0. 01秒之前都發(fā)生了什么。從10_43秒到0. 01秒回想一下我們?cè)诘?章講過(guò)的(特別是圖7. 1)，在宇宙早期 極熱的環(huán)境下，引力之外的三種力似f是結(jié)合在一起的。根據(jù)這些力的強(qiáng)度隨能量和時(shí)間而變化的計(jì)算，物理學(xué)家證明，大約在 ATB的10_35秒以前，強(qiáng)、弱和電磁力原來(lái)是一個(gè)“大統(tǒng)一”的 “超”力。在那種狀態(tài)，宇宙比它在今天要對(duì)稱得多。一堆混亂 的金屬加熱熔化后，將形成均勻光滑的液體；同樣，我們現(xiàn)在看w 到的幾種力之間的巨大差別，在極早期宇宙的極端高能和高溫下也是均勻地融合在一起的。但隨著時(shí)間的流逝，宇宙不斷地膨 脹、冷卻，量子場(chǎng)論證明，原來(lái)的對(duì)稱性通過(guò)許多跳躍的過(guò)程喪 失殆盡了，最后生成我們今天熟悉的不那么對(duì)稱的樣子。 這種對(duì)稱性喪失——更準(zhǔn)確的說(shuō)法是對(duì)稱破缺——背后的物 理學(xué)是不難理解的。想象一個(gè)盛滿水的大容器，H20分子均勻地充滿整個(gè)容器；不論從哪個(gè)角度看，水都是一樣的?，F(xiàn)在，我們 降低溫度，看容器會(huì)發(fā)生什么事情。開始，表面看不出什么。在 微觀尺度上，也不過(guò)是水分子的平均速度減小了。然而，當(dāng)溫度降低到攝氏零度時(shí)，你會(huì)突然看到激烈的事情發(fā)生了。液態(tài)的水 開始凍結(jié)，轉(zhuǎn)化為固態(tài)的冰。我們?cè)谇耙徽轮v過(guò)，這是相變的一 個(gè)簡(jiǎn)單例子。就現(xiàn)在的討論而言，我們需要注意的重要一點(diǎn)是，相變會(huì)降低H2()分子所表現(xiàn)的對(duì)稱性。從任何角度看，液態(tài)水 看起來(lái)都是一樣的——顯然是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的——而固態(tài)的冰卻不是 這樣的。冰具有晶體的結(jié)構(gòu)，就是說(shuō)，如果以足夠的精度來(lái)檢驗(yàn)，它跟任何晶體一樣，在不同方向有不同的表現(xiàn)。相變使原來(lái) 的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的程度降低了。 盡管我們討論的只是一個(gè)熟悉的例子，結(jié)論卻是普遍成立 的：許多物理系統(tǒng)在溫度降低時(shí)，在發(fā)生相變的地方總會(huì)使原來(lái) 的對(duì)稱性產(chǎn)生“破缺”。實(shí)際上，如果溫度改變范圍大，一個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)經(jīng)歷一系列的相變。還是看水的例子。如果從100弋度 以上開始，水是氣體，即水蒸氣。在這種狀態(tài)，系統(tǒng)的對(duì)稱性比在液態(tài)時(shí)更多，因?yàn)檫@時(shí)單個(gè)的h2o分子從凝結(jié)的液體中解放 出來(lái)了。它們?cè)谌萜鲀?nèi)四處飛舞，不形成任何小集團(tuán)，沒(méi)有哪些分子比別的分子更“親近”，在高溫下，所有的分子都是平等 352的。如果把溫度降到100T以下，水滴自然在氣液相變點(diǎn)凝結(jié)出 來(lái)，而對(duì)稱性也減少了。繼續(xù)冷卻，經(jīng)過(guò)0尤時(shí)，將發(fā)生另一次相變，像我們上面說(shuō)的那樣，這一次從液態(tài)水到固態(tài)冰的相變會(huì) 再一次大大降低系統(tǒng)的對(duì)稱性。 物理學(xué)家相信，從普朗克時(shí)間到ATB的0.01秒，宇宙的行為也像那樣，至少經(jīng)歷兩次類似的相變。在102?K的溫度以上， 三種非引力作用表現(xiàn)為一種力，具有所有可能的對(duì)稱性。（在本章末尾，我們將討論弦理論如何在高溫下把引力也包括進(jìn)來(lái)。） 但是，當(dāng)溫度冷卻到102?K以下時(shí)，宇宙經(jīng)歷一次相變，三種作用以不同的方式從統(tǒng)一中分離出來(lái)；它們的作用強(qiáng)度和方式也開 始出現(xiàn)差異。這樣，隨著宇宙的冷卻，在高溫下表現(xiàn)的力的對(duì)稱 性就被打破了。不過(guò)，格拉肖、薩拉姆和溫伯格的研究(第5章） 說(shuō)明，并不是所有的高溫對(duì)稱性都消失了：弱力與電力還密切關(guān) 聯(lián)著。隨著宇宙進(jìn)一步膨脹和冷卻，在1(V5K的吋候——約太陽(yáng) 核心溫度的1億倍——宇宙又經(jīng)歷另一次相變，影響了電磁力與弱力。在這樣的溫度，兩個(gè)力還是從以前更對(duì)稱的統(tǒng)一狀態(tài)中分離出來(lái)，隨宇宙不斷的冷卻而顯現(xiàn)出越來(lái)越大的差別。兩 次相變決定了宇宙中作用的三種表現(xiàn)迥然不同的力，即使這樣，這一段宇宙的歷史回顧也說(shuō)明那些力實(shí)際上是緊密聯(lián)系在 一起的。 宇宙學(xué)疑難 普朗克時(shí)間以后的宇宙學(xué)為我們認(rèn)識(shí)大爆炸瞬間以來(lái)的宇宙，提供了一個(gè)優(yōu)美和諧的而且可以計(jì)算的框架。不過(guò)，跟所有 成功的理論一樣，新的認(rèn)識(shí)也帶來(lái)了更多更細(xì)的問(wèn)題。那些問(wèn)題 雖然沒(méi)有使前面的標(biāo)準(zhǔn)宇宙圖景失去意義，還是暴露了某些薄弱 的東西，呼喚更深的理論的出現(xiàn)。我們來(lái)看其中的一個(gè)問(wèn)題，所 謂的視界問(wèn)題，它是現(xiàn)代宇宙學(xué)最重要的問(wèn)題之一。 宇宙背景輻射的仔細(xì)研究表明，不論測(cè)量天線對(duì)準(zhǔn)什么方 向，輻射的溫度都是相同的，精確到十萬(wàn)分之一。細(xì)想一下會(huì)發(fā) 現(xiàn)，這是很奇怪的事情。在宇宙屮相隔那么遙遠(yuǎn)的地方為什么會(huì)有那么一致的溫度?我們大概自然會(huì)想到，這并不奇怪，因?yàn)榻?天在空中遙遙相對(duì)的兩個(gè)地方，不過(guò)是出生以后分離的孿生兄弟，在宇宙最初的瞬間（和任何別的事物一樣)木是緊緊相連的。 由于它們?cè)?共同的一點(diǎn)，留下相同的痕跡(如溫度)也就不足為 奇了。 在標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸宇宙學(xué)里，那種想法是錯(cuò)誤的。為什么呢？ 一碗熱湯慢慢冷卻到房間的溫度，是因?yàn)樗c周圍的冷空氣相 通。只要等待足夠的時(shí)間，湯的溫度與空氣的溫度通過(guò)相互接觸，總會(huì)變得相同的。但是，如果把湯裝在熱水瓶里，它會(huì)保溫 很長(zhǎng)一段時(shí)間，因?yàn)榕c外界幾乎沒(méi)有多少接觸。這說(shuō)明，兩個(gè)物 體的溫度趨于相同，是因?yàn)樗鼈冇虚L(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的相互交流作用。為了檢驗(yàn)剛才說(shuō)的，現(xiàn)在空間分隔遙遠(yuǎn)的兩點(diǎn)具有相同溫度，是 因?yàn)樗鼈冊(cè)瓉?lái)曾經(jīng)接觸過(guò)，我們必須檢驗(yàn)它們?cè)谟钪嬖缙谑遣皇怯凶銐虻男畔⒔涣?。乍看起?lái)，你可能想，那時(shí)兩點(diǎn)離得很近，交流該是很容易的事情。但空間的鄰近只是事情的一個(gè)方面，事 情的另一方面是時(shí)間間隔。 為更完整地考察這一點(diǎn)，我們來(lái)看一?場(chǎng)宇宙膨脹的“電 影”，不過(guò)是倒著放的，從今天開始，回到大爆炸的瞬間。因?yàn)槿魏涡问降男盘?hào)和信息的傳播速度都以光速為最高極限，所以在 某個(gè)時(shí)刻，空間兩個(gè)區(qū)域的物質(zhì)，只有在相隔的距離小于光自大 爆炸時(shí)刻以來(lái)能達(dá)到的距離，才可能交換熱景，從而才可能達(dá)到共同的溫度。這樣，在倒放影片時(shí)，我們可看到一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng) 面：空間區(qū)域離得多近，我們回到過(guò)去多遠(yuǎn)。2例如，為了讓兩個(gè)空間位置相距3xl05千米（即光走1秒經(jīng)過(guò)的距離），我們必 須回到ATB的1秒以前，那時(shí)候，即使兩點(diǎn)離得更近一些，也 不能產(chǎn)生相互影響，因?yàn)楣庑枰?秒鐘的時(shí)間才能走過(guò)它們 之間的距離。2如果空間分離的距離更小，如300千米，我們必 須回到ATB的0.001秒以前，剛才的結(jié)論也同樣成立：兩點(diǎn)也不可能產(chǎn)生相互影響，因?yàn)樵?.001秒之內(nèi)，光不可能走過(guò)300 千米的距離。沿著同樣的思路，如果我們的鏡頭回到ATB的 10'9秒以前，兩個(gè)空間位置相距30厘米，它們?nèi)匀徊豢赡芟嗷?影響，因?yàn)榇蟊ǖ墓鉀](méi)有足夠的時(shí)間走過(guò)那30厘米。這說(shuō)明，盡管隨我們回溯大爆炸，時(shí)空間隔會(huì)越來(lái)越小，但它們未 必能像湯和空氣那樣產(chǎn)生熱接觸，未必能達(dá)到相同的溫度。 物理學(xué)家已經(jīng)精確證明了，在標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模型中會(huì)產(chǎn)生這 個(gè)問(wèn)題。詳細(xì)計(jì)算表明，現(xiàn)在相隔遙遠(yuǎn)的空間區(qū)域沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn) 能量交換，從而解釋不了為什么它們會(huì)有相同的溫度。物理學(xué)家把這個(gè)解釋不了的宇宙大范圍的溫度均勻性問(wèn)題稱為“視界問(wèn) 題”——視界在這里說(shuō)的是我們能看多遠(yuǎn)；或者也可以說(shuō)，光能 走多遠(yuǎn)。這個(gè)疑難并不意味著標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型錯(cuò)了；不過(guò)，溫度的均勻性確實(shí)在強(qiáng)烈提醒我們，宇宙故事里某一幕重要的場(chǎng)景被遺 忘了。1979年，物理學(xué)家古斯(Alan Guth，現(xiàn)在麻省理工學(xué)院）找到了那失去的一幕。 暴 漲 視界問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于，為了讓宇宙中任意兩個(gè)遠(yuǎn)離的區(qū)域靠 近，我們必須回到時(shí)間的開始。實(shí)際上，在那樣亭的時(shí)刻，任何 物理影片都不可能有足夠的時(shí)間從一個(gè)區(qū)域傳到另一個(gè)區(qū)域。于是，問(wèn)題就成了，當(dāng)我們的宇宙影片回放到大爆炸時(shí)，宇宙沒(méi)有 足夠快地收縮冋去。 這只是大概的意思，我們還應(yīng)該說(shuō)得更具體一些。視界問(wèn)題 源自這樣的事實(shí)：膨脹的宇宙像飛出的皮球一樣，會(huì)因引力的拖 曳作用而慢下來(lái)。這意味著，為了看到宇宙的兩個(gè)位置間隔更小，例如，現(xiàn)在距離的一半，我們的宇宙影片必須回放過(guò)一半。 就是說(shuō)，為了讓那間隔減小一半，我們必須回到大爆炸以來(lái)宇宙 年齡的一半以前。大致說(shuō)來(lái)，時(shí)間越早，兩個(gè)區(qū)域盡管離得更近，但它們的交流越難。 古斯對(duì)視界問(wèn)題的解決現(xiàn)在說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單了。他發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因 斯坦方程還有另一個(gè)解，宇宙在極早期經(jīng)歷過(guò)短暫的迅猛膨脹的 階段——以意想不到的指數(shù)的膨脹速率“暴漲” 了。指數(shù)式的膨 脹不像拋向空中的皮球會(huì)慢下來(lái)，它會(huì)越來(lái)越快。當(dāng)我們回放宇 宙影片時(shí)，迅猛的加速膨脹的鏡頭表現(xiàn)為迅猛的減速收縮。這意 味著為了使宇宙兩個(gè)位置(在暴漲時(shí)期）的間隔減小一半，我們的 電影不必回到一半以前——實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)用不了那么多時(shí)間。這 樣，兩個(gè)區(qū)域便有了足夠的時(shí)間進(jìn)行熱的接觸和交換，從而達(dá)到相同的溫度。 經(jīng)過(guò)古斯的發(fā)現(xiàn)和后來(lái)林德（Andrei Linde,現(xiàn)在斯坦福大 學(xué)）、斯坦哈特（Paul Steinhardt)和阿布雷切特（Andreas Albrecht, 那時(shí)在賓夕法尼亞大學(xué)）以及其他許多人的重要修正，標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型成了暴漲的宇宙學(xué)模型。在這個(gè)框架下，標(biāo)準(zhǔn)模型在ATB的IO-36秒到10-34秒之間的小小“時(shí)間窗口”里被修 正了——在這個(gè)“窗口”里，宇宙膨脹了至少103°倍，相比之下，在標(biāo)準(zhǔn)圖景中，宇宙在相同時(shí)間間隔內(nèi)只膨脹了大約100 倍。這意味著，在ATB的10_36秒的瞬間，宇宙比它在150億年 以后增大的還多。在暴漲以前，現(xiàn)在相隔遙遠(yuǎn)的物質(zhì)離得很近，比在標(biāo)準(zhǔn)模型里近得多，從而可以很容易達(dá)到共同的溫 度。然后，通過(guò)古斯的宇宙暴漲——緊跟著標(biāo)準(zhǔn)模型的尋常膨 脹——那些空間區(qū)域就像我們今天看到的一樣，相隔遙遠(yuǎn)。這樣，標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型經(jīng)過(guò)瞬間暴漲的重要修正，解決了視界 問(wèn)題（以及許多其他我們沒(méi)有討論的問(wèn)題），因而獲得了宇宙學(xué) 家的認(rèn)同。 我們根據(jù)今天的理論，把宇宙從普朗克時(shí)間到現(xiàn)在的歷史 總結(jié)在圖14. 1中。 在圖14. 1中，從大爆炸到普朗克時(shí)間還留著一絲空白沒(méi)有 討論。把廣義相對(duì)論的方程冒然用于這個(gè)區(qū)域，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)間越近大爆炸，宇宙會(huì)變得越小、越熱、越密。在零 時(shí)間的那一點(diǎn)，宇宙大小消失了，溫度和密度頓時(shí)成為無(wú)窮大，這最明顯不過(guò)地警告我們，在經(jīng)典的廣義相對(duì)論引力框架中樹起的宇宙理論模型徹底失敗了。 大自然堅(jiān)決地告訴我們，在這樣的條件下，我們必須把廣義 相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)——換句話說(shuō)，我們必須利用弦理 論。目前，弦理論在宇宙學(xué)的應(yīng)用正方興未艾。微擾論的方法最多能得到大概的輪廓，因?yàn)闃O端的能量、溫度和密度需要精確的 分析。盡管第二次超弦革命帶來(lái)了一些非微擾的技術(shù)，但它們需 要經(jīng)過(guò)-??段時(shí)間的錘煉才可能滿足宇宙學(xué)背景下的計(jì)算。不過(guò)，正如我們現(xiàn)在討論的，在最近10年左右，物理學(xué)家已經(jīng)邁出了 認(rèn)識(shí)弦宇宙學(xué)的第一步。下面就是他們發(fā)現(xiàn)的一些東西。 弦理論似乎有三條基本途徑來(lái)修正標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。第一，弦 理論以一種今天還不太說(shuō)得清楚的方式讓宇宙有一個(gè)可能的最小 尺度，這對(duì)我們認(rèn)識(shí)大爆炸時(shí)刻的宇宙有著重大影響，而標(biāo)準(zhǔn)理論說(shuō)那時(shí)宇宙收縮到了零尺度。第二，弦理論具有大小半徑的對(duì) 偶性(與它有最小尺度密切相關(guān)），我們馬上會(huì)看到這也有著深刻的宇宙學(xué)意義。最后，弦理論具有更多的時(shí)空維(大于4)，從宇 宙學(xué)的觀點(diǎn)看，我們必須說(shuō)明所有維的演化。讓我們更詳細(xì)地來(lái)討論這幾個(gè)問(wèn)題。 普朗克大小的宇宙 如何用那些弦的理論特征來(lái)修正標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)框架下的結(jié)論W 呢?20世紀(jì)80年代末，布蘭登伯格和瓦法朝這個(gè)方向邁出了重 要的第一步。他們得到兩點(diǎn)重大發(fā)現(xiàn)：第一，當(dāng)時(shí)間倒流，回到 開始，溫度會(huì)不斷升高；但當(dāng)宇宙在所有方向都達(dá)到普朗克長(zhǎng)度時(shí)，溫度達(dá)到它的最大值，然后開始降低。從直覺(jué)說(shuō)，這一點(diǎn)并 不難理解。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們想象（布蘭登伯格和瓦法也是那么 做的）宇宙所有的空間維都是圓形的。當(dāng)時(shí)間倒流，每一維的半徑都會(huì)收縮，宇宙的溫度也會(huì)升高。但是，當(dāng)每?-維的半徑坍縮經(jīng)過(guò)普朗克長(zhǎng)度時(shí)，我們知道，在弦理論中，這在物理上相當(dāng)于半徑從普朗克長(zhǎng)度反彈回來(lái)。由于宇宙的溫度在膨脹中降低，所 以可以預(yù)料，我們看不到宇宙坍縮到普朗克尺度以下，我們實(shí)際 只能看到溫度在普朗克尺度停止升高，達(dá)到最大，然后開始下降。經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算，布蘭登伯格和瓦法證明，事情真是那樣的。 這個(gè)發(fā)現(xiàn)令布蘭登伯格和瓦法看到了下面的宇宙學(xué)圖景。開 始時(shí)，弦理論的所有空間維都緊緊卷縮成它們最小的可能尺度， 大約是普朗克長(zhǎng)度。溫度高，能量大，但都不是無(wú)限的，因?yàn)橄依碚摗踅?jīng)排除了無(wú)限壓縮的零尺度的起點(diǎn)。在這宇宙開始的瞬 間，弦理論的所有空間維都是平等的——完全對(duì)稱的——都卷縮 成一個(gè)多維的普朗克尺度的小宇宙。然后，根據(jù)布蘭登伯格和瓦法的發(fā)現(xiàn)，宇宙經(jīng)歷第一次對(duì)稱破缺；在大約普朗克時(shí)間，3個(gè) 空間維生長(zhǎng)出來(lái)，而其余的維還保持原來(lái)的普朗克尺度。那3個(gè) 空間維就成了暴漲宇宙圖景的主角，它們經(jīng)歷圖14. 1所概括的 普朗克時(shí)間以后的演化，膨脹到今天的樣子。 為什么是三維呢？緊跟著的一個(gè)問(wèn)題是，什么東西打破了對(duì)稱性而生出3個(gè)膨 脹的空間維?就是說(shuō)，除了我們看到只有3個(gè)空間維膨脹到現(xiàn)在 的大尺度而外，弦理論是否能提出根本的理由來(lái)說(shuō)明為什么不是其他數(shù)目的空間維（如4、5、6等)在膨脹？更對(duì)稱地講，為什么 不是所有的維都膨脹呢？布蘭登伯格和瓦法找到一種可能的解 釋?；叵胍幌?，弦理論的大小半徑的對(duì)偶性依賴于這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)空間維卷縮成圓圈時(shí)，弦可以纏繞著它。布蘭登伯格和瓦 法發(fā)現(xiàn)，繞著維的弦有限制那個(gè)維的傾向，不讓它膨脹，就像自 行車的外胎套著內(nèi)胎一樣。乍看起來(lái)，這似乎在說(shuō)每個(gè)維都會(huì)被困住，因?yàn)樗鼈兌伎赡鼙幌依p上。問(wèn)題是，如果纏繞的弦和它的 反伙伴(大概說(shuō)就是沿反方向繞著空間維的弦)都考慮進(jìn)來(lái)，它們將立即湮滅，生成一根解開的弦。假如這樣的過(guò)程發(fā)生得足夠 快、足夠多，那么套在空間的許多橡皮套都會(huì)解開，那些維也能自由膨脹了。布蘭登伯格和瓦法猜想，纏繞著的弦只有在3 個(gè)維上能夠解幵，為什么呢？ 假定一維直線（如直線王國(guó)的空間）上有兩個(gè)沿同一方向滾 動(dòng)的粒子，如果兩個(gè)粒子的速度不同，遲早會(huì)有一個(gè)趕超另一 個(gè)，從而發(fā)生碰撩。不過(guò)我們得注意，假如同樣兩個(gè)粒子隨機(jī)地在二維平面（如平坦王國(guó)的空間）上滾動(dòng)，它們很可能永遠(yuǎn)也 不會(huì)相遇。每一個(gè)空間維為每個(gè)粒子打開了一個(gè)新路徑的世 界，那些路徑幾乎不可能在同一時(shí)刻交匯在同一點(diǎn)。在三維、四維或其他更高維的情形，兩個(gè)粒子就更不可能相遇了。布蘭360 登伯格和瓦法發(fā)現(xiàn)，如果把點(diǎn)粒子換成纏繞在空間維上的弦圈，類似的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)。盡管很難看到，但我們相信，在3 個(gè)(或更少的）卷縮空間維時(shí)，兩根纏繞的弦很可能相互碰撞—— 就像兩個(gè)點(diǎn)粒子在一維線上運(yùn)動(dòng)的情形。但是，在四維或更高 維的空間里，纏繞的弦就不太可能發(fā)生碰撞——像點(diǎn)粒子在二維 或更高維空間一樣。 這樣，我們看到下面的景象：在宇宙最初的瞬間，源自極 高（然而有限）溫度的“騷動(dòng)”驅(qū)使所有卷縮的空間維膨脹，但 遇到了纏繞在那些維上的弦的約柬，從而它們又回到原來(lái)的普朗克尺度的半徑。但是，隨機(jī)的熱漲落遲早會(huì)使3個(gè)空間維長(zhǎng) 得比別的維大，這樣，我們剛才的討論說(shuō)明，繞在那三維的弦很可能發(fā)生碰撞。大約一半的碰撞牽涉到弦與反弦構(gòu)成的對(duì)， 它們將相互湮滅，從而不斷地解開約束，使得那3個(gè)維能持續(xù) 地膨脹下去。它們長(zhǎng)得越大，就越不可能被別的弦所纏繞，因?yàn)槔p繞大的維度需要更大的能量。這樣，膨脹是自我發(fā)展的， 維長(zhǎng)得越大，所受約束就越小?，F(xiàn)在我們可以想象那3個(gè)空間維如何以上一節(jié)講的方式持續(xù)演化，長(zhǎng)到我們今天看到的宇宙 那么大(或者更大)。 宇宙學(xué)和卡-丘空間 布蘭登伯格和瓦法考慮了一種簡(jiǎn)單情形，假定所有空間維都 卷縮成圓圈。實(shí)際上，如我們?cè)诘?章看到的，只要這些圓足夠大，超越我們今天的觀測(cè)能力，那它們跟我們看到的宇宙形態(tài)是 一致的。但對(duì)仍然很小的維來(lái)說(shuō)，更現(xiàn)實(shí)的圖像是它們卷縮成一 個(gè)復(fù)雜得多的卡-丘空間。當(dāng)然，問(wèn)題的關(guān)鍵在于，那該是哪一 個(gè)卡-丘空間？如何決定那個(gè)特殊的空間?沒(méi)人能回答這個(gè)問(wèn)題。 但是，結(jié)合以前講過(guò)的那些拓?fù)涓淖兘Y(jié)果和這些宇宙學(xué)認(rèn)識(shí)，我 們可以提出一個(gè)框架。我們現(xiàn)在知道，通過(guò)空間破裂錐形變換，任何卡-丘空間都可以演化成別的形式。這樣，我們能想象，在 大爆炸后的喧囂的熱運(yùn)動(dòng)中，空間的卷縮的卡-丘部分盡管依然 很小，卻在跳著“熱烈的舞蹈”，結(jié)構(gòu)在舞蹈中破裂，破裂后復(fù) 原，永不停息，經(jīng)過(guò)數(shù)不清的不同的卡-丘形態(tài)。當(dāng)宇宙冷卻， 生出3個(gè)大的空間維，卡-丘空間從一種形態(tài)走向另一種形態(tài)的 腳步也慢下來(lái)了，而多余的維度都最終卷縮在某個(gè)卡-丘形態(tài)，生成我們?cè)谥車澜缈吹降哪切┪锢硇再|(zhì)。物理學(xué)家面臨的挑戰(zhàn) 是，詳盡地認(rèn)識(shí)卡-丘空間的演化，從理論的原則預(yù)言它們現(xiàn)在的形態(tài)。我們已經(jīng)看到，卡-丘空間能從一種形態(tài)光滑地變成另 一種形態(tài)，根據(jù)這一點(diǎn)，卡-丘形態(tài)的選擇問(wèn)題實(shí)際上可能歸結(jié) 為一個(gè)宇宙學(xué)問(wèn)題。 開始之前因?yàn)闆](méi)有精確的弦理論方程，布蘭登伯格和瓦法在他們的宇 宙學(xué)研究里做了好多近似和假設(shè)。就像瓦法最近說(shuō)的，我們的工作照亮了一條新途徑，弦理論因此可以用來(lái)談一些標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)方法里的頑固的老問(wèn)題。例如，我們看到，原初的奇點(diǎn)概念在弦理論中是完全可以避免 的。但是，憑我們現(xiàn)在對(duì)弦理論的了解，很難在這樣極端 的條件下做出完全令人信服的計(jì)算，所以我們的工作只是 投向弦理論宇宙學(xué)的第一眼，離最后的結(jié)果還遠(yuǎn)著呢。① 自他們的研究以來(lái)，物理學(xué)家在深入認(rèn)識(shí)弦宇宙學(xué)的路上不斷地 前進(jìn)著，走在前頭的是維尼齊亞諾和他的伙伴、都靈大學(xué)的蓋斯 佩雷尼(Maurizio Gasperini)0他們提出了自己的一套有趣的弦宇362 宙學(xué)，具有上面講過(guò)的某些特征，但差別也很大。跟布蘭登伯格和瓦法的工作一樣，他們也是靠弦理論的最小長(zhǎng)度概念來(lái)避免標(biāo) 準(zhǔn)的和暴漲的宇宙理論中出現(xiàn)的無(wú)限溫度和能量密度。不過(guò)，他 們沒(méi)有認(rèn)為那意味著宇宙來(lái)自一個(gè)極熱的普朗克尺度的小火球， 而是認(rèn)為宇宙可能有一部史前的歷史——遠(yuǎn)在我們所謂的零時(shí)間 以前就開始了——它將我們引向“普朗克的萌芽”。 在這大爆炸以前的圖景里，宇宙的起點(diǎn)大不同于它在大爆炸 框架下的狀態(tài)。蓋斯佩雷尼和維尼齊亞諾的研究告訴我們，宇宙 的幵端并不是熾熱的緊緊卷縮在一起的小空間元胞，而是冰冷的、本質(zhì)上無(wú)限延展的空間。那時(shí)候弦理論方程表現(xiàn)出一種迅速 的不穩(wěn)定性——多少有點(diǎn)兒像古斯的暴漲時(shí)期——把宇宙的每一 點(diǎn)都迅速地驅(qū)散開去。他們證明，這使得空間越來(lái)越卷曲，溫度和能量密度越升越高。6—定時(shí)間以后，在大空間里會(huì)出現(xiàn)一個(gè) 毫米大小的三維區(qū)域，看起來(lái)就像從古斯的暴漲中產(chǎn)生的那個(gè)超熱超密的小火球。接下來(lái)，那個(gè)小火球經(jīng)歷尋常大爆炸宇宙學(xué)的 膨脹，形成我們今天熟悉的宇宙。另外，因?yàn)檫@發(fā)生在大爆炸以 前的一幕本來(lái)就經(jīng)歷了暴漲，所以古斯關(guān)于視界問(wèn)題的答案自然包含在這個(gè)“前大爆炸宇宙學(xué)”圖景里。正如維尼齊亞諾說(shuō)的，超弦宇宙學(xué)正在迅速成為活躍而多產(chǎn)的研究舞臺(tái)。例如，大 爆炸之前的圖景已經(jīng)激起了許多熱烈而富有成果的爭(zhēng)論，我們現(xiàn)在還遠(yuǎn)不淸楚它在弦理論最終將產(chǎn)生的未來(lái)宇宙學(xué)框架內(nèi)會(huì)起著 什么樣的作用。當(dāng)然，為了認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，物理學(xué)家必須把握第二 次超弦革命的方方面面。例如，高維的基本膜的存在會(huì)帶來(lái)什么宇宙學(xué)的結(jié)果？假如弦理論的耦合常數(shù)“偶然”把我們從圖 12.】1的五個(gè)邊緣引向了中心，我們討論過(guò)的那些宇宙性質(zhì)會(huì)有什么改變嗎?就是說(shuō)，成熟的M理論對(duì)宇宙的最初瞬間會(huì)產(chǎn)生什 么影響？這些核心問(wèn)題的研究現(xiàn)在正熱火朝天。我們已經(jīng)看到了一線光明。 M理論與力的融合 在圖7.1里我們看到，引力以外的三種相互作用的強(qiáng)度，在 宇宙溫度足夠高的時(shí)候是融合在一起的。那么，引力作用的強(qiáng)度如何滿足這幅圖呢?M理論出現(xiàn)之前，弦理論家可以證明，如果 選擇最簡(jiǎn)單的卡-丘空間形態(tài)，引力作用差不多也能像圖14.2 那樣與其他三種力融合。弦理論家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)小心選擇卡-丘空 間形態(tài)（當(dāng)然還有其他一些技巧），可以盡可能避免偏離。怛這樣事后的調(diào)整并不能讓物理學(xué)家們感到滿意。因?yàn)楝F(xiàn)在誰(shuí)也不知道 怎么準(zhǔn)確預(yù)言卡-丘空間的形態(tài)，依靠那些與具體形態(tài)細(xì)節(jié)強(qiáng)烈相關(guān)的答案是很危險(xiǎn)的。 然而，惠藤證明，第二次超弦革命提供了更強(qiáng)有力的答案。 惠藤考察了在弦耦合常數(shù)不一定很小的情況下，力的強(qiáng)度會(huì)有什 么變化。他發(fā)現(xiàn)，引力的變化曲線會(huì)像圖14. 2的虛線那樣逐漸 傾向于與其他力融合，不需要特別選擇卡-丘空間形態(tài)。盡管為時(shí)尚早，但這大概還是說(shuō)明，在M理論的宏大框架下，宇宙的 統(tǒng)一可能會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。 這一節(jié)和前面兒節(jié)討論的發(fā)現(xiàn)，是我們朝弦和M理論的宇 宙學(xué)邁出的頭幾步，多少還只能說(shuō)是暫時(shí)的結(jié)果。在即將到來(lái)的年月里，隨著弦/M理論非微擾工具的改善，物理學(xué)家希望能把 它們用于宇宙學(xué)問(wèn)題，并得到某些最深刻的發(fā)現(xiàn)。 但我們目前還沒(méi)有足夠有力的方法完全依照弦理論來(lái)認(rèn)識(shí)宇 宙學(xué)，所以我們還是需要一般地考慮宇宙學(xué)在尋求未來(lái)的終極理 論的過(guò)程中可能發(fā)揮怎樣的作用。大家應(yīng)該小心的是，這里的一些思想比以前討論的更玄，不過(guò)它們確實(shí)提出了一些未來(lái)的理論 總有一天必然要回答的問(wèn)題。 宇宙學(xué)的沉思和終極理論 宇宙學(xué)能緊緊抓住我們的心靈，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)事物怎么開始，與 我們向往的為什么開始，在感覺(jué)上是很近的（至少對(duì)某些問(wèn)題是這樣）。這并不是說(shuō)現(xiàn)代科學(xué)把“怎么”的問(wèn)題與“為什么”的問(wèn)題聯(lián)結(jié)起來(lái)了-一沒(méi)有，而且似乎也從來(lái)沒(méi)有誰(shuí)見(jiàn)過(guò)這樣的科 學(xué)聯(lián)系。但是，宇宙學(xué)的研究似乎有希望讓我們最完全地認(rèn)識(shí) “為什么”的源頭——宇宙的誕生——它至少可以使我們能在一 個(gè)有科學(xué)依據(jù)的框架下來(lái)提問(wèn)題。有時(shí)候，徹底認(rèn)識(shí)一個(gè)問(wèn)題也 W就差不多算擁有了問(wèn)題的答案。 在終極理論的追求中，宇宙學(xué)的宏大構(gòu)思也帶來(lái)許多更具體 的問(wèn)題。我們相信。宇宙萬(wàn)物今天的表現(xiàn)——即圖14. 1的時(shí)間線上最右端的路線——依賴于物理學(xué)的基本定律，但它也可能依 賴于宇宙從時(shí)間線的左端向右端演化的諸多方面，即使最深遠(yuǎn)的 理論也沒(méi)能將它們包括進(jìn)來(lái)。 我們不難想象怎么可能是這樣的。例如，我們來(lái)看皮球拋向 天空會(huì)發(fā)生什么事情。引力定律決定著皮球后來(lái)的運(yùn)動(dòng)，但我們 不能根據(jù)那些定律預(yù)言球一定會(huì)落在什么地方。我們還需要知道球離開我們時(shí)的速度——包括大小和方向。就是說(shuō)，我們必須知 道球運(yùn)動(dòng)的初始條件。同樣，還有些宇宙特征具有歷史的偶然性 ——為什么這兒有顆恒星，那兒有顆行星？它們都依賴于一系列復(fù)雜的事件，從原則上講，我們可以追溯宇宙在開始的時(shí)候所具 有的某些特征。但是，即使最基本的特征，哪怕是最基本的物質(zhì) 和力的粒子的性質(zhì)，也可能直接依賴于宇宙演化的歷史——而演化本身也偶然地依賴于宇宙的初始條件。 實(shí)際上，我們?cè)谙依碚撝幸呀?jīng)看到了這種思想的可能體現(xiàn)。 隨著熾熱的早期宇宙的演化，多余的空間維可能從一種形態(tài)變換 為另一種形態(tài)，最后當(dāng)宇宙冷卻下來(lái)時(shí)卷縮成某個(gè)特殊的卡-丘 形態(tài)。通過(guò)這最后的卡-丘形態(tài)對(duì)粒子質(zhì)量和力的性質(zhì)的影響， 我們看到，宇宙初始的演化和狀態(tài)會(huì)極大地影響我們今天看到的物理C 我們不知道宇宙的初始條件是什么，也不知道該用什么思 想、概念和語(yǔ)言來(lái)描繪它們。我們相信，標(biāo)準(zhǔn)和暴漲的宇宙學(xué)模型里出現(xiàn)的那個(gè)無(wú)限大能量密度和溫度的奇異的初始狀態(tài)，只不過(guò)說(shuō)明那些理論失敗了，沒(méi)能正確描寫實(shí)際存在的物理?xiàng)l件。弦366 理論有一點(diǎn)進(jìn)步，它告訴我們?nèi)绾伪苊膺@種無(wú)限的極端；怛是，關(guān)于事物到底是怎樣開始的，我們還是一無(wú)所知。事實(shí)上，我們的無(wú)知更加可怕：我們甚至不知道決定初始條件的問(wèn)題問(wèn)得是否 合理，不知道這個(gè)問(wèn)題是不是永遠(yuǎn)超越了任何一個(gè)具體的理論 ——就像要廣義相對(duì)論來(lái)回答把球扔向天空需要多大氣力?；艚鸷图永Ｄ醽喆髮W(xué)的哈特等物理學(xué)家曾大膽嘗試著把宇宙初始條 件的問(wèn)題帶進(jìn)物理學(xué)理論的保護(hù)傘下，但他們的努力都還沒(méi)有結(jié) 果。在弦/M理論的情形，我們今天的認(rèn)識(shí)還膚淺得很，不可能決定我們“包羅萬(wàn)象”的理論候選者是否真的名副其實(shí)，不可能 決定它自己的宇宙學(xué)初始條件，當(dāng)然也就不可能把它提到物理學(xué) 定律的高度。這是未來(lái)研究的第一個(gè)問(wèn)題。 不過(guò)，即使不談初始條件和它們對(duì)后來(lái)宇宙曲折演化歷程的 影響，最近的一些猜想仍然意味著任何一個(gè)所謂最后的理論都存 在解釋能力的極限。誰(shuí)也不知道這些想法是對(duì)還是錯(cuò)，它們目前當(dāng)然只是處在主流科學(xué)的邊緣。盡管它們還是爭(zhēng)論中的假想的東 西，還是讓我們看到了未來(lái)的終極理論可能會(huì)遇到什么樣的 麻煩。 這個(gè)思想源自下面的可能：我們所謂的那個(gè)宇宙實(shí)際上只是 巨大天空中的一個(gè)小部分，汪洋里無(wú)數(shù)宇宙島中的一個(gè)。盡管聽(tīng) 起來(lái)很牽強(qiáng)——最后也許是那樣——但林德還是提出一個(gè)具體的生成那個(gè)大宇宙的機(jī)制。他發(fā)現(xiàn)，我們以前討論的短暫而重要的 暴漲可能不是惟一的一次事件。他指出，發(fā)生暴漲的條件可以多 次出現(xiàn)在宇宙的眾多獨(dú)立區(qū)域，然后那些區(qū)域各自暴漲，演化成為新的分離的宇宙。在每個(gè)這樣的宇宙中，同樣繼續(xù)著那些過(guò)^ 程，新的宇宙又從舊的廣大區(qū)域里噴涌而來(lái)，從而形成一張無(wú)窮的宇宙膨脹的大網(wǎng)。這些詞兒聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)兒累，我們還是用一個(gè) 流行的詞，把這個(gè)推廣的概念叫多重宇宙，它的每一個(gè)組成部分還是叫宇宙。 我們?cè)诘?章講過(guò)，我們所了解的一切說(shuō)明在我們的宇宙中 物理學(xué)是和諧的，處處一致的，但這與其他宇宙的物理學(xué)沒(méi)有關(guān)系——只要它們與我們是獨(dú)立的，或者至少離得太遠(yuǎn)，它們的光 還沒(méi)來(lái)得及趕到。所以，我們可以想象物理學(xué)是隨宇宙的不同而 改變的。在某些宇宙，區(qū)別可能不太大，例如，電子質(zhì)量或強(qiáng)力的強(qiáng)度可能比我們的宇宙大（或者小）十萬(wàn)分之一；在另一些宇 宙，區(qū)別可能很顯著，上夸克的質(zhì)量可能比我們測(cè)量的大10 倍，電磁力的強(qiáng)度也可能比我們的強(qiáng)10倍，它們同時(shí)也給星體 和生命帶來(lái)巨大的影響(如我們?cè)诘?章講的）。還有些宇宙，物 理學(xué)的差別可能更驚人。例如，基本粒子和力的名單可能跟我們 的完全不同；拿弦理論來(lái)說(shuō)，展開的維數(shù)也可能不同。緊縮的宇宙可能只有一兩個(gè)甚至沒(méi)有展開的空間維，而開放的宇宙可能有 八九個(gè)甚至10個(gè)展開的空間維。讓我們自由想象，那定律本身也可能是各不相同的。什么情況都可能出現(xiàn)。 問(wèn)題是這樣的。例如我們?yōu)g覽一下那么多的宇宙，絕大多數(shù) 都不具備生命存在的條件——至少不會(huì)有我們所認(rèn)識(shí)的那些類型 的生命。對(duì)我們熟悉的物理巨變來(lái)說(shuō)，這是很淸楚的：如果宇宙真像花園的流水管子那樣，我們所理解的生命就不會(huì)存在。即使 不那么劇烈的物理變化，也會(huì)影響星體的形成。例如，可能不會(huì) 有合成復(fù)雜的生命原子的宇宙大熔爐——像碳、氧等分子，通常都是從超新星的爆發(fā)中噴灑出來(lái)的。生命的存在離不幵具體的物 理，從這點(diǎn)看，如果現(xiàn)在問(wèn)，為什么自然的力和粒子具有我們看 到的那些性質(zhì)，可能有人會(huì)回答說(shuō)：在整個(gè)多重宇宙中，那些性質(zhì)是變化無(wú)常的；它們?cè)诓煌挠钪婵赡懿煌?，?shí)際上也的確不 同。我們所看到的粒子和力的性質(zhì)之所以特殊，顯然在于它們?cè)?許生命的形成。而生命，特別是智慧生命，卻是發(fā)問(wèn)的主人：為什么我們的宇宙像這個(gè)樣子呢？通俗地講，宇宙萬(wàn)物之所以這 樣，是因?yàn)槿绻鼈儾荒菢?，就不?huì)有我們?cè)谶@兒注意它們。舉一個(gè)輪盤賭的例子。贏家會(huì)驚喜自己能繼續(xù)賭下去，但他很快就會(huì)平靜下來(lái)。他發(fā)現(xiàn)，如果自己沒(méi)贏，就不可能有那種感覺(jué)。多 重宇宙的假說(shuō)也能使我們安靜一些，別總想著去解釋我們的宇宙 為什么會(huì)是那樣的。 這一路論證不過(guò)是一個(gè)老思想，有名的人擇原理。像上面說(shuō) 的那樣，它與我們那個(gè)嚴(yán)格的完全能預(yù)言的統(tǒng)一理論的夢(mèng)想是針 鋒相對(duì)的。我們?cè)?jīng)夢(mèng)想，事情所以那樣是因?yàn)橛钪娌豢赡苁橇硗庖粯?。多重宇宙不是?shī)，其中的萬(wàn)物也不像在詩(shī)里那么天衣無(wú) 縫地和諧；它和人擇原理一樣包容了數(shù)不清的變化。如果多重宇 宙的圖景是正確的，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，即使能夠理解，也是非常困難的。即使存在別的宇宙，我們也可以想象永遠(yuǎn)不跟它們往來(lái)。不 過(guò)，更多地認(rèn)識(shí)“外面的世界”——相比之下，哈勃發(fā)現(xiàn)銀河系 外更多的星系就顯得多少有點(diǎn)兒小了——多重宇宙的概念至少會(huì)提醒我們：我們對(duì)終極理論的要求是不是太多了。 我們應(yīng)該要求我們的終極理論能給出一幅所有力和所有物質(zhì) 的和諧的量子力學(xué)圖景。我們應(yīng)該要求我們的終極理論能給出一 個(gè)我們宇宙的宇宙論。然而，假如多重宇宙的圖景是對(duì)的——當(dāng)然，這是大大的“假如”——么，要我們的理論來(lái)解釋粒子質(zhì) 量、電荷和力的具體性質(zhì)，可能還是要求太多了。 但是必須強(qiáng)調(diào)，即使我們接受多重宇宙的設(shè)想，也并不一定 能說(shuō)它會(huì)損害我們的預(yù)言能力。原因呢，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是，假如我 們馳騁想象去考慮一個(gè)多重宇宙，我們也會(huì)擺脫理論的束縛，去尋找克服多重宇宙那顯然的隨機(jī)性。從相對(duì)保守的思想看，我們 可以想象，如果多重宇宙的圖景是對(duì)的，我們能夠?qū)⑽覀兊慕K極369 理論推廣到整個(gè)宇宙，那個(gè)“推廣的終極理論”可能會(huì)準(zhǔn)確地告訴我們，基本的參數(shù)為什么那樣“灑落”在每一個(gè)宇宙?它們是 如何灑落下來(lái)的？ 更激進(jìn)的思想來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)的斯莫林(Lee Smo-Hn)，他從大爆炸和黑洞中心的條件的相似——同樣都是大密度的擠壓在一起的物質(zhì)——得到靈感，提出每一個(gè)黑洞都是一粒新宇宙的種子，新宇宙從種子爆發(fā)出來(lái)，但永遠(yuǎn)藏在黑洞視界的背 后，我們看不見(jiàn)。斯莫林不僅提出了一種新的生成多重宇宙的機(jī)制，還引進(jìn)來(lái)一種新的精神--種宇宙的基因突變觀——把與人擇原理相關(guān)的科學(xué)極限問(wèn)題引向盡頭。a'他說(shuō)，我們來(lái)想想看，當(dāng)一個(gè)宇宙從黑洞中心噴出來(lái)時(shí)，它的物理屬性，如粒子質(zhì) 量和力的強(qiáng)度，跟產(chǎn)生它的母宇宙是接近的，但不是完全相同 的。因?yàn)楹诙词遣煌求w生成的，而星體的形成完全依賴于粒子質(zhì)量和作用強(qiáng)度的精確數(shù)值，所以，任何一個(gè)宇宙能生成多少黑 洞，也完全取決于那些參數(shù)。于是，“后代”宇宙小小的參數(shù)變 化可能會(huì)比母宇宙更有利于黑洞的形成，從而可能擁有更多的自己的“后代”。7這樣，經(jīng)過(guò)許多代以后，孕育了很好的黑洞生 成條件的子孫宇宙將在多重宇宙中占絕大多數(shù)。于是我們看到，斯莫林沒(méi)有借人擇原理，而是提出了一個(gè)動(dòng)力學(xué)的機(jī)制，說(shuō)明一 代代的宇宙如何一步步接近特殊的參數(shù)值——那是最有利于黑洞 生成的參數(shù)值。 這條思路引出另一種方法，即使在多重宇宙的背景下，它也 能解釋基本物質(zhì)和力的參數(shù)。假如斯莫林的理論是正確的，假如 370我們不過(guò)是長(zhǎng)大的多重宇宙里的一個(gè)代表（當(dāng)然，這些都是“假 如”，在許多方面還大有爭(zhēng)議），那么，我們測(cè)量的粒子和力的 參數(shù)，應(yīng)該最有利于黑洞的產(chǎn)生。就是說(shuō)，我們宇宙的那些參數(shù)的一丁點(diǎn)兒改變，都會(huì)使黑洞不容易形成。物理學(xué)家已經(jīng)在考察 這個(gè)預(yù)言了，目前還沒(méi)有大家都能接受的看法。不過(guò)，即使證明 斯莫林的具體觀點(diǎn)錯(cuò)了，它也確實(shí)提供了終極理論可能具有的另一種形式。乍看起來(lái)，終極理論似乎立場(chǎng)不夠堅(jiān)定，我們可以看 到它能描寫好多宇宙，而多數(shù)都跟我們所在的宇宙無(wú)關(guān)。另外，我們可以想象那些宇宙都是能夠在物理上實(shí)現(xiàn)的，從而產(chǎn)生--個(gè) 多重的大宇宙——表面看，它將永遠(yuǎn)限制我們的預(yù)言能力。然 而，實(shí)際上這種討論說(shuō)明，最終的解釋總是可以找到的，只要我 們不僅把握了終極的定律，而且還懂得它們?cè)谟钪娴拇蟪叨妊莼囊饬x。 當(dāng)然，弦理論和M理論的宇宙學(xué)意義在進(jìn)入21世紀(jì)以后都 將是一個(gè)重大的研究領(lǐng)域。沒(méi)有能產(chǎn)生普朗克尺度能量的加速器，我們將不得不越來(lái)越依賴于大爆炸的宇宙加速器，依賴于它 留給我們的遍布宇宙的遺跡，拿它們來(lái)當(dāng)我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。憑運(yùn) 氣和毅力，我們總有一天能回答那些基本的問(wèn)題：宇宙是怎么開始的?它為什么演化成我們看到的蒼天和大地？當(dāng)然，在我們和這 些基本問(wèn)題的完整答案之間，還隔著一大片荒漠。但是，引力的量子理論經(jīng)過(guò)超弦理論的發(fā)展，為我們帶來(lái)了信心和希望。我們 相信自己現(xiàn)在掌握了應(yīng)有的理論工具，可以邁步踏進(jìn)那片無(wú)知的 荒漠，經(jīng)歷艱辛萬(wàn)苦之后，我們一定能帶著那些問(wèn)題的答案，走出來(lái)。 |
第五篇：21世紀(jì)的統(tǒng)一 第15章遠(yuǎn)望 百年以后，超弦理論(或者它在M理論中的角色）該是什么 樣子，今天恐怕走在最前頭的研究者們也看不出來(lái)。當(dāng)我們繼續(xù)追尋終極理論的時(shí)候，在通往更宏大的宇宙藍(lán)圖的路上，我們可 能會(huì)發(fā)現(xiàn)弦理論不過(guò)是萬(wàn)里長(zhǎng)征的一步，我們還會(huì)遇到以前從未 見(jiàn)過(guò)的不同的思想和概念。這一科學(xué)歷程告訴我們，當(dāng)我們自以為懂得了自然的一切時(shí)，它總還藏著些驚奇，我們只有極大地 (有時(shí)還得從根本上)改變我們認(rèn)識(shí)世界的思維路線，才可能發(fā)現(xiàn)它們。當(dāng)然，我們還是可以滿懷信心地認(rèn)為——也有人曾那樣天 真地想象——我們生活在人類歷史的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，宇宙的終極規(guī) 律將在我們的時(shí)代出現(xiàn)。正如惠藤講的，我覺(jué)得我們離弦理論很近了——在我最樂(lè)觀的時(shí)候 ——我想會(huì)有那么一天，理論的最終形式會(huì)從天上掉下 來(lái)落在誰(shuí)的頭上。但是更現(xiàn)實(shí)地講，我覺(jué)得我們今天正在構(gòu)造一個(gè)比以往任何東西都更深刻的理論，這個(gè)過(guò)程 將延續(xù)到21世紀(jì)，那時(shí)我就太老了，不可能還有什么 有用的思想；年輕的物理學(xué)家將去決定，我們是不是真 找到了最后的理論。 盡管我們還能感受到第二次超弦革命帶來(lái)的震撼，還在欣賞 它帶來(lái)的新奇壯麗的圖畫，但多數(shù)弦理論家都認(rèn)為，可能還要經(jīng) 歷第三次、第四次那樣的理論革命，才能徹底解放弦理論的力量，確立它作為最后理論的地位。我們已經(jīng)看到，弦理論打開了 一幅宇宙活動(dòng)的新圖畫，但還有許多重大的困難和細(xì)節(jié)需要21 世紀(jì)的弦理論家用心去思索。所以，在這最后一章，我們不可能講完人類追求宇宙最后定律的故事，因?yàn)槲覀冞€在追求著。我們 將把眼光投向弦理論的未來(lái)，討論5個(gè)重要的問(wèn)題——在繼續(xù)追求終極理論的路上，弦理論家們總會(huì)遇到它們的。 弦背后的基本原理是什么 過(guò)去百年里，我們明白了一個(gè)大道理，那就是物理學(xué)定律總 聯(lián)系著對(duì)稱性。狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)是相對(duì)性原理所體現(xiàn)的對(duì)稱性 ——即常速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者之間的對(duì)稱性。表現(xiàn)在廣義相對(duì)論的引力的基礎(chǔ)是等效原理——相對(duì)性原理向所有觀測(cè)者的推廣，不論 他們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有多復(fù)雜。另外，強(qiáng)力、弱力和電磁力的基礎(chǔ)是 更加抽象的規(guī)范對(duì)稱性。 我們講過(guò)，物理學(xué)家想把這些對(duì)稱性樹為一切解釋的基座雄 踞在理論的中央。從這個(gè)觀點(diǎn)看，引力的存在是為了讓所有的觀 測(cè)者有完全平等的立場(chǎng)——也就是讓等效原理能夠成立。同樣，非引力的存在是為了大自然能遵從它們相應(yīng)的規(guī)范對(duì)稱性。當(dāng)然，這種觀點(diǎn)不過(guò)把力為什么存在的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成為自然為什么遵 從相關(guān)規(guī)范對(duì)稱性的問(wèn)題。這肯定也是一個(gè)進(jìn)步，特別是，有些時(shí)候的對(duì)稱性足自然而然的。例如，為什么一個(gè)觀測(cè)者的參照系 需要與眾不同的對(duì)待呢?更自然的觀點(diǎn)顯然是，宇宙的規(guī)律認(rèn)為所有觀測(cè)者的觀點(diǎn)都是平等的；這一點(diǎn)通過(guò)等效原理和在宇宙結(jié) 構(gòu)中嵌人引力而實(shí)現(xiàn)了。在引力以外的其他三種力的背后，規(guī)范 對(duì)稱性也有同樣存在的理由，不過(guò)，那需要一些數(shù)學(xué)背景才能完全理解(如我們第5章講的）。 然而，弦理論卻把我們那樣基礎(chǔ)的解釋引向了深谷，因?yàn)樗?有這些對(duì)稱——包括那個(gè)超對(duì)稱——都是從它的結(jié)構(gòu)中生成出來(lái) 的。實(shí)際上，假如歷史不像它走過(guò)的樣子——假如物理學(xué)家在百年以前就發(fā)現(xiàn)r弦理論——我們可以想象，這些對(duì)稱性原理都可 以通過(guò)研究弦理論的性質(zhì)而發(fā)現(xiàn)。但是別忘了，等效原理告訴我們?yōu)槭裁创嬖谝?，?guī)范對(duì)稱告訴我們?yōu)槭裁创嬖诜且?，而?弦理論背景下，這些對(duì)稱都是結(jié)果；雖然它們的重要性是不容否 定的，但總歸是一個(gè)更宏大的理論結(jié)構(gòu)的最終產(chǎn)物的一部分。 等效原理不可避免地帶來(lái)了廣義相對(duì)論，規(guī)范對(duì)稱引出了引 力以外的三種力，那么，弦理論本身是不是什么更大原理的必然 結(jié)果呢？那原理可能但不一定是對(duì)稱性原理。上面的那一段討論使這個(gè)問(wèn)題顯得更尖銳了。寫到這里時(shí)，還沒(méi)人能對(duì)問(wèn)題的答案 有一丁點(diǎn)兒的認(rèn)識(shí)。為理解它的重要性，我們只需要想想，假如 愛(ài)因斯坦當(dāng)年在建立廣義相對(duì)論時(shí)，沒(méi)有他】907年在伯爾尼專 利局的那個(gè)把他引向等效原理的“快樂(lè)思想”，結(jié)果會(huì)怎樣呢？ 當(dāng)然，沒(méi)有那一點(diǎn)靈感，廣義相對(duì)論未必就建立不起來(lái)，但那一定是異常艱難的。等效原理為分析引力提供了一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的、 強(qiáng)有力的、有條理的框架。例如，我們?cè)诘?章對(duì)廣義相對(duì)論的描述主要就依賴于等效原理，而它在理論的數(shù)學(xué)體系中的作用就 更重要了。 弦理論家今天的處境就有點(diǎn)兒像失去等效原理的愛(ài)因斯坦。 自維尼齊亞諾1968年那獨(dú)具洞察的猜想以來(lái)，弦理論在一點(diǎn)點(diǎn) 發(fā)現(xiàn)、一次次革命中發(fā)展起來(lái)了。但是，我們還沒(méi)有一個(gè)組織原 376理能把所有的發(fā)現(xiàn)和理論特征都納人一個(gè)宏大而系統(tǒng)的框架—— 一個(gè)能絕對(duì)不可避免地生成每一樣基本要素的框架。發(fā)現(xiàn)那個(gè)原理應(yīng)該是弦理論發(fā)展的重大成果，而它也將以無(wú)比的清晰揭示理 論深藏的秘密。當(dāng)然，誰(shuí)也不能保證真有那樣一個(gè)基本原理，但 百年的物理學(xué)進(jìn)化激勵(lì)著弦理論家們期待著它的出現(xiàn)。當(dāng)我們展望弦理論的下一個(gè)發(fā)展階段時(shí)，尋找那個(gè)“能不可避免地帶來(lái)一 切”的原理——整個(gè)理論都必然從它噴涌而來(lái)——便是頭等重要 的事情。什么是真正的空間和時(shí)間，我們離得了它們嗎在前面的許多章節(jié)里，我們自由使用了空間和時(shí)間的概念。在第2章，我們講r愛(ài)因斯坦的發(fā)現(xiàn)：空間和時(shí)間是不可分割 的，它們因一個(gè)出人意料的事實(shí)而交織在一起，那就是，物體在空間的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響它的時(shí)間歷程。在第3章，我們通過(guò)廣義相對(duì) 論深化了時(shí)空在認(rèn)識(shí)宇宙中的作用，看到了時(shí)空結(jié)構(gòu)的具體形式如何將引力從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)。第4、5兩章討論的時(shí)空結(jié)構(gòu) 的微觀量子漲落提出了新理論的需求，將我們引向了弦理論。最后，在接下來(lái)的很多章里，我們看到弦理論在宣傳宇宙具有的空 間維比我們知道的更多，它們有些卷縮成小小的然而復(fù)雜的形 態(tài)，能奇妙地經(jīng)歷空間結(jié)構(gòu)破裂而復(fù)原的變換。 我們?cè)ㄟ^(guò)圖3. 4、圖3. 6和圖8. 10并借助空間和時(shí)空的 結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明那些思想，那結(jié)構(gòu)仿佛是?一片片的物質(zhì)材料，宇宙就是用它們縫起來(lái)的。這些圖景有很強(qiáng)的解說(shuō)力，物理學(xué)家常拿它 們來(lái)作為自己技術(shù)研究的直觀形象的指南。盡管盯著那些圖也慢 377慢能感覺(jué)到一點(diǎn)兒意思，但我們還是要問(wèn)，我們說(shuō)的宇宙的結(jié)構(gòu)到底是什么意思？ 這是一個(gè)深遠(yuǎn)的問(wèn)題，曾以這樣那樣的形式提出來(lái)，已經(jīng) 爭(zhēng)論過(guò)幾百年了。牛頓宣揚(yáng)空間和時(shí)間是構(gòu)成宇宙的永恒不變 的元素，它原始的結(jié)構(gòu)沒(méi)有疑問(wèn)，也不需要解釋。他在《原理》(Principia)中寫道，“與任何外在物無(wú)關(guān)的絕對(duì)空間，就其 本性而言總是保持著相同和不動(dòng)。與任何外在物無(wú)關(guān)的絕對(duì)的真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時(shí)間，就其自身和本性而言，總是相同地流 逝?！?$萊布尼茲(Gcmfried Leibniz)等人強(qiáng)烈反對(duì)，他們聲稱， 空間和時(shí)間不過(guò)是為了方便概括宇宙中物體與事件間的關(guān)系的 記錄本。一個(gè)物體在空間和時(shí)間的位置只有通過(guò)與其他事物的比較才能顯出意義。空間和時(shí)間不過(guò)是這些關(guān)系的詞匯，沒(méi)有 別的意思。盡管牛頓的觀點(diǎn)在他成功的三大運(yùn)動(dòng)定律的支持下 統(tǒng)治了 200多年，但萊布尼茲的思想(后來(lái)得到奧地利物理學(xué)家 馬赫(Ernst Mach)的進(jìn)一步發(fā)展）更接近我們今天的圖景。我們 已經(jīng)看到，愛(ài)因斯坦的狹義和廣義相對(duì)論堅(jiān)決拋棄了絕對(duì)和普 適的空間和時(shí)間的概念。但我們?nèi)匀豢梢宰穯?wèn)，在廣義相對(duì)論和弦理論中演繹著關(guān)鍵角色的時(shí)空的幾何模型，是否也只是不 同位置的空間和時(shí)間關(guān)系的方便表達(dá)方式呢?或者說(shuō)，當(dāng)我們說(shuō)自己“浸沒(méi)”在時(shí)空結(jié)構(gòu)中時(shí)，是不是該認(rèn)為我們真的浸沒(méi)在 什么東西里呢？ 雖然我們?cè)谧呓粋€(gè)猜想的領(lǐng)地，弦理論確實(shí)能為這個(gè)問(wèn) 題提供一個(gè)答案。引力子這個(gè)最小的引力篳元是一種特別的弦 振動(dòng)模式。正如電磁場(chǎng)（如可見(jiàn)光）由無(wú)數(shù)光子組成一樣，引力場(chǎng)由無(wú)數(shù)引力子組成——就是說(shuō)，無(wú)數(shù)根弦在像引力子模式那樣 振動(dòng)。另一方面，引力場(chǎng)鎖在彎曲的時(shí)空結(jié)構(gòu)里，所以，我們 自然要將時(shí)空結(jié)構(gòu)本身與大量的經(jīng)歷著相同有序的引力子振動(dòng)模式的弦等同起來(lái)。用場(chǎng)的語(yǔ)言說(shuō)，那么多相同振動(dòng)的弦的有組織的集合，叫弦的相干態(tài)。這是頗富詩(shī)意的一幅圖畫——弦理 論的弦成了編織時(shí)空結(jié)構(gòu)的絲線——但是應(yīng)該看到，它的嚴(yán)格意義還有待我們?nèi)氐装l(fā)現(xiàn)。 不管怎么說(shuō)，用弦織成的空間結(jié)構(gòu)為我們帶來(lái)下面的問(wèn)題。 普通的絲織物是在尋常紡織原料上一針一線織出來(lái)的。同樣，我 們可以問(wèn)自己，時(shí)空結(jié)構(gòu)是不是也先有原料底子呢——那該是宇宙結(jié)構(gòu)的一種弦的組合，還沒(méi)有形成我們認(rèn)為是時(shí)空的組織形 式。需要注意的是，我們不太容易準(zhǔn)確描繪那種還沒(méi)織成一個(gè)有 序整體的一根根振動(dòng)弦混合在一起的狀態(tài)，因?yàn)閺奈覀儗こ５乃季S方式來(lái)說(shuō)，這預(yù)先假定了空間和時(shí)間的概念——弦振動(dòng)所在的 空間和它從一刻到下一刻發(fā)生形態(tài)改變的時(shí)間。不過(guò)，在那種原 始的狀態(tài)，在形成宇宙結(jié)構(gòu)的弦跳起那整齊相應(yīng)的舞蹈之前，并沒(méi)有什么空間和時(shí)間。我們的語(yǔ)言還不足以精確把握這些思想， 因?yàn)槭聦?shí)上那時(shí)連以前的概念都沒(méi)有。總的說(shuō)來(lái)，一根根的弦似 乎是空間和時(shí)間的“碎片”，只有當(dāng)它們經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)墓舱瘢趴赡艹霈F(xiàn)傳統(tǒng)的空間和時(shí)間的概念。 那樣一種沒(méi)有結(jié)構(gòu)、沒(méi)有我們所說(shuō)的空間或時(shí)間概念的原始 存在狀態(tài)，可能是大多數(shù)人都想象不出來(lái)的（我當(dāng)然也想不出 來(lái)）?；艚鹪f(shuō)過(guò)，攝影師在拍攝黑洞視界的特寫鏡頭時(shí)會(huì)遇t 麻煩，當(dāng)我們?cè)囍鴺?gòu)想一個(gè)本來(lái)是空間和時(shí)間的宇宙，而不是以 某種方式借用空間和時(shí)間概念的宇宙時(shí)，也遇到了 “范式”的沖 突。不過(guò)，我們很可能還是需要同那樣的概念打交道，在能完全評(píng)價(jià)弦理論之前認(rèn)識(shí)它們的作用。原因是，我們現(xiàn)在的弦理論形 式預(yù)先假定了空間和時(shí)間的存在——弦(和在M理論中發(fā)現(xiàn)的其 他物質(zhì)基元)在其中往來(lái)振動(dòng)。這樣，我們可以在有一個(gè)時(shí)間維和若干空間維的宇宙中演繹弦理論的物理性質(zhì)；那些空間維有一 定數(shù)量是展開的(通常是3個(gè)），其余的都卷縮成理論方程所允許 的某個(gè)空間形態(tài)。但是，這有點(diǎn)兒像讓一個(gè)畫家照數(shù)字填顏色， 然后根據(jù)這個(gè)來(lái)評(píng)價(jià)他的藝術(shù)創(chuàng)造力。當(dāng)然，他一定也會(huì)在這里或那里表現(xiàn)一些個(gè)人的情趣，但憑這樣死死限制的作品形式，我們能看出畫家有幾分才能呢？同樣，弦理論的勝利在于它自然融 合了量子力學(xué)和引力，而引力受空間和時(shí)間形式的約朿，我們不 應(yīng)該強(qiáng)迫一個(gè)理論在已經(jīng)存在的時(shí)空框架里運(yùn)轉(zhuǎn)。就像應(yīng)該讓畫家在空白的畫布上開始創(chuàng)作一樣，我們應(yīng)該讓弦理論從沒(méi)有空間 和時(shí)間的混沌狀態(tài)開始為自己創(chuàng)造時(shí)空的舞臺(tái)。 我們希望，從“零點(diǎn)”開始——可能是大爆炸以前或者以前 的以前的某個(gè)時(shí)刻（我們只能借時(shí)間的詞來(lái)說(shuō)，因?yàn)闆](méi)有別的語(yǔ) 言工具了)——理論所描寫的宇宙將在演化中形成弦相干振動(dòng)的 背景，產(chǎn)生空間和時(shí)間的傳統(tǒng)概念。這樣一個(gè)框架如果實(shí)現(xiàn)了， 將證明空間、時(shí)間和相關(guān)的維，不是決定宇宙要素的根本；它們不過(guò)是從更基本更原始的狀態(tài)涌出的方便的記號(hào)。 M理論的許多方面，經(jīng)過(guò)申克爾、惠藤、邦克斯、費(fèi)施勒、 蘇斯金和其他數(shù)不清的人的開拓，已經(jīng)顯露出某個(gè)叫零膜的東西 ——可能是M理論最基本的物質(zhì)基元，看起來(lái)有點(diǎn)兒像大尺度 下的點(diǎn)粒子，但在小距離上卻有迥然不同的性質(zhì)——它大概能讓我們看一眼沒(méi)有空間和時(shí)間的世界。我們記得，弦告訴我們?cè)谄?朗克尺度下傳統(tǒng)的空間概念失去了意義，他們的研究表明，零膜 在本質(zhì)上也告訴我們相同的結(jié)論，而且還為我們打開了一扇小窗，讓我們看到一個(gè)新的非傳統(tǒng)的起主導(dǎo)作用的框架。零膜的研 究說(shuō)明，普通的幾何被所謂的非對(duì)易兒何取代了，那主要是法國(guó) 數(shù)學(xué)家康尼斯(Alain Cormes)發(fā)展起來(lái)的一門數(shù)學(xué)。2在這個(gè)幾何 框架下，傳統(tǒng)的空間和距離的概念消失了，我們看到的是迥然不同的概念景觀。不過(guò)，當(dāng)我們關(guān)心比普朗克長(zhǎng)度更大的尺度時(shí)，-物理學(xué)家證明那些傳統(tǒng)的空間概念又將重新出現(xiàn)。非對(duì)易幾何框架離我們期待的那個(gè)“零點(diǎn)”的開端大概還很遙遠(yuǎn)，但它讓我們隱 約看到，為了包容空間和時(shí)間，更復(fù)雜的框架可能帶來(lái)些什么。 不借助先存在的空間和時(shí)間概念，為建立弦理論尋找正確的 數(shù)學(xué)工具，是弦理論家們面臨的最重要的問(wèn)題之一。如果認(rèn)識(shí)了空間和時(shí)間是如何出現(xiàn)的，我們將向下面那個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題的答案邁出一大步：到底會(huì)出現(xiàn)什么樣的幾何形式呢？ 弦理論會(huì)重塑量子力學(xué)嗎 量子力學(xué)的原理以令人驚訝的精度統(tǒng)治著我們的宇宙。即使 這樣，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家在構(gòu)建理論時(shí)所采取的策略， 從結(jié)構(gòu)上講，卻把量子力學(xué)放在比較次要的位置。在構(gòu)想一個(gè)理論時(shí)，物理學(xué)家常常從純經(jīng)典的語(yǔ)言出發(fā)，忽略量子幾率、波函 數(shù)等事物一那是麥克斯韋甚至牛頓時(shí)代的物理學(xué)家都能完全領(lǐng) 會(huì)的語(yǔ)言——然后，在經(jīng)典的框架上添加量子的概念。這種思想方法一點(diǎn)兒也不奇怪，因?yàn)樗苯臃从沉宋覀兊目茖W(xué)歷程。開始 的時(shí)候，宇宙看起來(lái)是由植根在經(jīng)典概念的定律統(tǒng)治著的，例 如，在一定的時(shí)刻一個(gè)粒子有一定的位置和速度。當(dāng)我們做過(guò)仔細(xì)的微觀考察之后，才發(fā)現(xiàn)那樣的經(jīng)典思想需要修正。我們發(fā)現(xiàn) 的歷程是從經(jīng)典框架走向量子關(guān)系的框架，物理學(xué)家今天還繼續(xù) 走在那條路上，去創(chuàng)建他們的理論。 弦理論當(dāng)然也是這樣走過(guò)來(lái)的。描寫弦理論的數(shù)學(xué)形式開始 是一組描寫一小根無(wú)限細(xì)的經(jīng)典絲線的運(yùn)動(dòng)的方程，大體上說(shuō)， 這樣的方程牛頓在300年前就能寫出來(lái)。后來(lái)，這些方程被量子 化了。就是說(shuō)，通過(guò)50多年來(lái)物理學(xué)家們發(fā)展起來(lái)的一套系統(tǒng)方法，這些經(jīng)典方程轉(zhuǎn)移到了量子力學(xué)的框架，幾率、不確定 性、量子漲落等概念，都自然包括進(jìn)來(lái)了。實(shí)際上，我們?cè)诘?12章已經(jīng)看到了這個(gè)過(guò)程的作用：圈過(guò)程（見(jiàn)圖12. 6)包含蕎量 子概念——在這種情形，即量子力學(xué)生成的瞬間虛弦對(duì)——圈的 數(shù)目決定著考慮量子力學(xué)效應(yīng)的精度。 從經(jīng)典的理論圖景開始，然后包括量子力學(xué)的特征，這種策 略多年來(lái)取得了豐碩的成果。例如，它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的 基礎(chǔ)。但是，這種方法在弦理論和M理論那樣遠(yuǎn)大的藍(lán)圖面前可能顯得太保守了，而且越來(lái)越多的事實(shí)說(shuō)明它很可能真是軟弱 無(wú)力了。原因是，我們既然認(rèn)識(shí)了宇宙受量子力學(xué)原理的支配，我們的理論從一開始就應(yīng)該是童子力學(xué)的。多年來(lái)，我們從經(jīng)典圖景出發(fā)取得了一次又一次的成功，那只是因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有追求 宇宙的最深處，在那樣的深度，過(guò)去粗略的方法會(huì)讓我們迷失方 向。但是，在弦和M理論的深度上，我們很可能會(huì)走到那條經(jīng) 過(guò)戰(zhàn)斗考驗(yàn)的道路的盡頭。 關(guān)于這一點(diǎn)，重新考慮從第二次超弦革命涌現(xiàn)出的某些發(fā)現(xiàn) (如圖12. 11總結(jié)的那些），我們可以找到具體的證據(jù)。我們?cè)诘?12章討論過(guò)，五個(gè)弦理論統(tǒng)一背后的對(duì)偶性告訴我們，發(fā)生在一個(gè)弦理論體系中的物理過(guò)程可以用任何其他理論的對(duì)偶語(yǔ)言來(lái) 解釋。乍看起來(lái)，新的解釋似乎跟原來(lái)的圖景沒(méi)有什么關(guān)系，但 事實(shí)上對(duì)偶性的力量正表現(xiàn)在這里：通過(guò)對(duì)偶性，同一個(gè)物理過(guò)程可以用許多迥然不同的方式來(lái)描寫。這些結(jié)果難以捉摸，也令 人驚訝，但我們還沒(méi)有講它們最重要的特征是什么。 對(duì)偶性語(yǔ)言通常是這樣轉(zhuǎn)換的：在一種弦理論的描述下，一 個(gè)過(guò)程強(qiáng)烈依賴于景子力學(xué)(例如，涉及弦相互作用的過(guò)程就不會(huì)在經(jīng)典物理學(xué)的世界里發(fā)生），而從另一個(gè)弦理論看，它卻稍 微與量子力學(xué)有些關(guān)系（例如，它的具體數(shù)值由景子思想決定，382 而定性形式卻跟它在純經(jīng)典的世界里一樣）。這意味著，量子力學(xué)完全交織在弦和M理論基礎(chǔ)的對(duì)偶對(duì)稱性中，它們是固有的 量子力學(xué)對(duì)稱性，因?yàn)橛幸粋€(gè)對(duì)偶的描述是強(qiáng)烈依賴于量子力學(xué)考慮的。這有力地說(shuō)明，弦和M理論的完全實(shí)現(xiàn)——從根本上 包括新發(fā)現(xiàn)的對(duì)偶對(duì)稱性——不能跟傳統(tǒng)路線一樣從經(jīng)典開始走向量子化。經(jīng)典的出發(fā)點(diǎn)必然會(huì)忽略對(duì)偶對(duì)稱性，因?yàn)樗挥性?量子力學(xué)的考慮下才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。相反，完全的弦M理論一定會(huì)打破傳統(tǒng)模式，而將以一個(gè)羽翼豐滿的量子力學(xué)理論的形式出 現(xiàn)在我們面前。 H前，還沒(méi)有誰(shuí)知道該怎么做。但許多弦理論家都預(yù)言，我們認(rèn)識(shí)上的下一個(gè)重大變革是重塑量子原理，將它融人我們關(guān)于 宇宙的理論。例如，像瓦法說(shuō)的，“我想，能解決許多疑難的量子力學(xué)新體系就躲在角落里。我想，許多人都同意，最近揭示的 對(duì)偶性為量子力學(xué)指出了一個(gè)新的幾何的方向，在那個(gè)幾何框架 下，空間、時(shí)間和景子性質(zhì)將不可分割地結(jié)合在一起?！雹俣栈萏俚恼f(shuō)法，“我相信量子力學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)將發(fā)生某種方式的改 變，就像引力的邏輯結(jié)構(gòu)在愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)等效原理后的改變那 樣。這個(gè)過(guò)程對(duì)量子力學(xué)是遠(yuǎn)不完全的，但我想人們總有一天會(huì)回過(guò)頭來(lái)，把今天看作它的開始?！?/font> 我們可以有把握地樂(lè)觀地想象，一個(gè)弦理論框架下的重新樹 立的量子力學(xué)原理將產(chǎn)生一個(gè)更有力的理論體系，為我們回答宇 宙是如何開始的，為什么會(huì)有空間和時(shí)間之類的事物——這個(gè)體系還將帶我們走近萊布尼茲的疑問(wèn)：為什么會(huì)有而不是沒(méi)有？ 能用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)弦理論嗎 在我們以前討論過(guò)的弦理論的特征中，下面的三個(gè)也許是最 重要的，最應(yīng)該牢記的。第一，引力和量子力學(xué)是宇宙如何表現(xiàn) 的最主要內(nèi)容，任何一個(gè)可能的統(tǒng)一的理論都必須包括它們。弦理論實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。第二，通過(guò)物理學(xué)家在過(guò)去100年的研究， 還揭示了其他的重要思想——許多都被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了——它們對(duì)我們認(rèn)識(shí)宇宙起著關(guān)鍵作用。舉幾個(gè)例子，思想包括，自旋、 物質(zhì)粒子的族結(jié)構(gòu)、信使粒子、規(guī)范對(duì)稱、?秦效原理、對(duì)稱破缺和超對(duì)稱性等。所有這些概念都自然出現(xiàn)在弦理論中。第三，在 傳統(tǒng)理論如標(biāo)準(zhǔn)模型中，有19個(gè)參數(shù)可以調(diào)整來(lái)保證理論與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的一致。弦理論則不一樣，它沒(méi)有可調(diào)的參數(shù)。從原則上 講，它蘊(yùn)含的一切是完全確定的——它們應(yīng)該提供絕不含糊的檢驗(yàn)，以判別理論是對(duì)還是錯(cuò)。 從“原則上”的理由走到“實(shí)際上”的事實(shí)，一路上還有許 許多多的障礙。在第9章我們討論過(guò)一些技術(shù)上的困難，如決定多余維的形態(tài)，現(xiàn)在仍然攔在路中央。在第12章和13章，我們 把這些和另外一些攔路石放到了一個(gè)更大的背景下——為了更準(zhǔn)確地理解弦理論，我們看到，M理論就在那樣的背景下出現(xiàn)了。 當(dāng)然，為了完全認(rèn)識(shí)弦理論和M理論，我們需要付出巨大艱辛 的勞動(dòng)，也一樣需要天才的發(fā)現(xiàn)。 在前進(jìn)的每一步，弦理論都在尋找而且還將繼續(xù)尋找能通過(guò) 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的理論結(jié)果。我們大概不會(huì)忘記第9章講的那些未來(lái)發(fā)現(xiàn)弦理論證據(jù)的可能。而且，隨著認(rèn)識(shí)的深入，弦理論一定會(huì)出 現(xiàn)一些難得的過(guò)程或特征，為我們提供其他間接的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。 但最引人矚目的是，通過(guò)尋找第9章討論的超對(duì)稱伙伴粒384 子，超對(duì)稱性的證實(shí)應(yīng)該是弦理論的一個(gè)里程碑。我們記得超對(duì)稱性是在弦理論的理論考察中發(fā)現(xiàn)的，也記得它是弦理論的核心 部分。它的實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)弦來(lái)說(shuō)盡管是間接的，然而也是一個(gè)誘 人的證據(jù)。另外，尋找超對(duì)稱伙伴粒子也應(yīng)該是受歡迎的一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槿绻l(fā)現(xiàn)了超對(duì)稱性，它的意義遠(yuǎn)不只是回答它是否與 我們的世界有關(guān)這樣的簡(jiǎn)單問(wèn)題。超伙伴粒子的質(zhì)量和力荷將具 體揭示超對(duì)稱性是如何融人自然律的。那樣，弦理論家面對(duì)的挑戰(zhàn)將是，超對(duì)稱性是否完全可以通過(guò)弦理論來(lái)實(shí)現(xiàn)和解釋？當(dāng) 然，我們可以更樂(lè)觀地希望，在未來(lái)的10年——在日內(nèi)瓦的巨型量子對(duì)撞機(jī)投入運(yùn)行以前——弦理論的認(rèn)識(shí)會(huì)取得巨大進(jìn)展，能在發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱伙伴粒子之前做出一些關(guān)于它們的具體的預(yù)言。 那么，證實(shí)那些預(yù)言將是科學(xué)史上不朽的一頁(yè) 科學(xué)的解釋有極限嗎 解釋一切，即使從特定意義說(shuō)，認(rèn)識(shí)宇宙的力和基本組成的所有方面，也是科學(xué)面臨的一個(gè)最大挑戰(zhàn)。超弦理論第一次為我 們提供了一個(gè)足以迎接這個(gè)挑戰(zhàn)的框架。但是，+我們真能完全實(shí) 現(xiàn)理論的承諾，計(jì)算出那些童嗎——如夸克的質(zhì)量、電磁力的強(qiáng) 度和其他決定宇宙形形色色特征的數(shù)值?正如前幾節(jié)講的/我們 得克服數(shù)不清的障礙才可能達(dá)到那些目標(biāo)——當(dāng)前的頭等大事是建立一個(gè)非微擾的弦M理論體系。 但是，即使我們準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)了在更新更明晰的量子力學(xué)框架下 建立起來(lái)的弦M理論，我們?nèi)匀豢赡芩悴怀隽Ｗ拥馁|(zhì)量和力的強(qiáng)度，有這個(gè)可能嗎？我們可能還得借助于實(shí)驗(yàn)測(cè)量而不能靠理 385論計(jì)算來(lái)獲得那些數(shù)值，是嗎？而且，會(huì)不會(huì)那樣，這些失敗不是說(shuō)我們還需要尋求更深層的理論，而是正好說(shuō)明這些實(shí)在的觀 測(cè)性質(zhì)本來(lái)就沒(méi)有什么解釋？ 所有這些問(wèn)題都是可能的。正如愛(ài)因斯坦很多年以前講的， “宇宙最不可理解的事情是它是可以理解的?！??在飛速進(jìn)步的時(shí)代，動(dòng)人的發(fā)現(xiàn)很容易使我們盲目信任自己對(duì)宇宙的理解力， 然而，理解力也許真有它的盡頭。也許我們不得不接受這樣的事 實(shí)，當(dāng)我們達(dá)到了最深層的科學(xué)認(rèn)識(shí)以后，宇宙依然有一些問(wèn)題不能解決。也許我們不得不承認(rèn)，宇宙的有些特征之所以那樣， 純粹是因?yàn)榕既唬驗(yàn)橐粋€(gè)事故，或者因?yàn)椤澳Ч淼倪x擇”?？?學(xué)在昨天的成功激勵(lì)著我們?nèi)ハ耄灰凶銐虻臅r(shí)間，巨大的努力總能揭開宇宙的奧秘。但是，遇到科學(xué)解釋的絕對(duì)極限——那 不是技術(shù)的障礙或趨勢(shì)，而是人類理解進(jìn)步的邊緣——那可是奇 特的事情，過(guò)去的經(jīng)歷對(duì)今天的我們也無(wú)能為力了。 盡管這個(gè)問(wèn)題與我們對(duì)終極理論的追求有著重大關(guān)系，但我 們還解決不了它。實(shí)際上，我們以一般方式提出的科學(xué)解釋極限 的問(wèn)題，可能永遠(yuǎn)也沒(méi)有答案。例如，我們已經(jīng)看到，即使我們關(guān)于多重宇宙概念的猜想，乍看起來(lái)提出了科學(xué)解釋的極限，實(shí)際上還可以通過(guò)幻想別的理論￥解決，至少在原則上那個(gè)理論隱 藏著預(yù)言能力。 從這些思考中我們看到了宇宙學(xué)在決定一個(gè)終極理論時(shí)的作， 用。我們講過(guò)，超弦宇宙學(xué)是一個(gè)年輕的領(lǐng)域，即使從弦理論自 身的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)，它也是年輕的。無(wú)疑，它將成為未來(lái)若干年里的一個(gè)基本的研究焦點(diǎn).。隨著對(duì)弦/M理論性質(zhì)的新認(rèn)識(shí)，我們能更 清楚地判別在統(tǒng)一理論上的那些努力有什么宇宙學(xué)意義。當(dāng)然，那些研究也許有?一天會(huì)令我們相信，科學(xué)解釋確實(shí)存在著極限。386 但是，它們也可能預(yù)示著一個(gè)新時(shí)代的到來(lái)——那時(shí)我們可以宣布，宇宙的基本解釋終于找到了。 走向未來(lái) 雖然我們的技術(shù)把我們限制在地球和它在太陽(yáng)系的近鄰，但 依靠思想和實(shí)驗(yàn)的力量，我們也在探索空間和外太空。特別是在 過(guò)去的100年里，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)物理學(xué)家的努力，自然最深藏的一些 秘密都被揭示出來(lái)了。這些解釋的萌芽一旦破土生長(zhǎng)起來(lái)，就會(huì) 在我們?cè)詾榱私獾氖澜缯宫F(xiàn)一片新的景象，那壯麗的風(fēng)光是我們從來(lái)不曾想過(guò)的。衡量一個(gè)物理理論有多深，是看它在多大程 度上向以前那些似乎不可改變的世界觀提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，量子力學(xué)和相對(duì)論的深刻超乎了任何人的想象：波函數(shù)、幾率、量子隧道、不停歇的真空能量漲落、空間與時(shí)間的 融合、同時(shí)的相對(duì)性、時(shí)空結(jié)構(gòu)的彎曲、黑洞、大爆炸……誰(shuí)能 想到那個(gè)直觀的、機(jī)械的、像時(shí)鐘一樣運(yùn)行的牛頓的世界竟顯得那么狹小，誰(shuí)能想到在事物平凡的表面下還藏著一個(gè)令人心跳的 新世界？ 不過(guò)，這樣一些改變我們思維模式的發(fā)現(xiàn)也只是一個(gè)更大的 包羅萬(wàn)象的歷史的一部分。物理學(xué)家堅(jiān)信，不論關(guān)于大事物的定 律還是小事物的定律，都應(yīng)該結(jié)合成一個(gè)和諧的整體，他們懷著這樣的堅(jiān)定信念在孜孜不倦地追尋著隱藏的統(tǒng)一理論。追尋還遠(yuǎn)沒(méi)到頭，但通過(guò)超弦理論和從它演化而來(lái)的M理論，一個(gè)融合 量子力學(xué)、廣義相對(duì)論以及強(qiáng)弱和電磁力的強(qiáng)有力的框架終于出現(xiàn)了。這些進(jìn)步給人們以前的世界觀帶來(lái)的沖擊是巨大的：一圈 圈的弦、一顆顆振動(dòng)的液滴，把宇宙生成的萬(wàn)物都統(tǒng)一地歸結(jié)為 形形色色的振動(dòng)模式，而那些精密的振動(dòng)所在的宇宙空間具有許多隱藏的維度，能極端地卷縮起來(lái)，不停地經(jīng)歷結(jié)構(gòu)的破裂和修 復(fù)。誰(shuí)能想到，引力和量子力學(xué)會(huì)融人一個(gè)包羅所有物質(zhì)和力的 統(tǒng)一理論，為我們宇宙的認(rèn)識(shí)帶來(lái)那么巨大的革命？ 當(dāng)然，如果我們繼續(xù)追求更完全的可以計(jì)算的超弦理論，一 定還有更大的驚奇在等著我們。通過(guò)M理論的研究，我們已經(jīng)看到，在普朗克尺度下隱藏著一個(gè)新奇的世界，那里可能沒(méi)有空 伺，也沒(méi)有時(shí)間。在另一個(gè)盡頭，我們也看到，我們的宇宙也許 只是在.臣大的波濤洶涌的汪洋(即所謂的多重宇宙)表面上無(wú)數(shù)跳 蕩的泡沫中的一個(gè)。這些思想都是我們今天所能提出的最遠(yuǎn)的想象，它們可能預(yù)示著我們的宇宙認(rèn)識(shí)的下一步該怎么走。 我們一直在放眼未來(lái)，期待著潛藏的奇跡；我們也應(yīng)該回顧 過(guò)去，走到今天的那段歷程同樣令人驚訝。追尋宇宙的基本定律 是人類的一出獨(dú)特的戲劇，它解放了思想，豐富了精神。愛(ài)因斯坦曾生動(dòng)描述過(guò)他本人對(duì)引力的追求經(jīng)歷——“那是在黑暗中焦 慮地摸索的年月，滿懷著強(qiáng)烈的渴望，有過(guò)信心，也有過(guò)動(dòng)搖和 疲憊，但最后終于看見(jiàn)了光明?！??——這當(dāng)然也是一切人類奮 斗的寫照。我們每一個(gè)人都在以自己的方式追求真理，渴望知道 我們?yōu)槭裁词沁@樣。我們?cè)谂实侵邪l(fā)現(xiàn)和解釋堆起的大山，每一代人都穩(wěn)穩(wěn)站在前輩的肩頭，勇敢地走向頂峰。我們的子孫后代 會(huì)不會(huì)有一天站在峰頂上無(wú)限清晰地俯看蒼茫而壯麗的宇宙，我 們不得而知；但每一代人總會(huì)向上爬得更高，令人想起布朗諾夫斯基(Jacob Bronowski)的話：“每個(gè)時(shí)代都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，都有 一種新的認(rèn)識(shí)和判斷世界秩序的方法?！雹傥覀冞@一代人也在驚訝我們自己的新宇宙觀——我們認(rèn)識(shí)世界秩序的新方法——實(shí) 際上也在實(shí)現(xiàn)我們自己的價(jià)值，把我們搭成人類的階梯，通向 遙遠(yuǎn)的星 |
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