《宇宙的边缘世界》时空囚笼请假

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   这两天在外出差，所以更新受影响，请体谅。
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    【一些参考资料，请感兴趣的朋友选择性阅读，注意，一些理论只是猜想，并非科学结论。】
    相对论与量子理论的矛盾
    爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论。我们前面说过，引力源于物体质量的相互吸引，物体的质量越大，引力越大。但为什么物体的质量会产生引力呢？引力为什么很微弱却又能在宏观范围内起作用呢？比如说，两个人、两块大石头之间的引力几乎就是零，只有像太阳、地球、月亮这样宇宙中的星体，才有明显的引力作用。
    爱因斯坦把这个疑惑给解开了，他给出了一个出人意料却又合乎情理的解答：空间本身是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间应该是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷，这就像一条拉得很平很直的床单上，当放进一个保龄球时，床单就凹陷下去，所谓引力就是因为这样的空间弯曲而导致的。地球在绕着太阳的轨道上运行，是因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”，这就是我们通常所说的太阳对地球的引力作用。两个人、两块大石头之间的引力几乎不存在的原因就是，这么小的质量使空间的弯曲几乎为零。因此，普通物体之间的引力作用是可以忽略不计的。
    在这里，引力变成了漂亮的几何图景，引力本身并不存在，它只是空间的几何形变所引起的明显结果。引力的本质就这样被广义相对论圆满地解释了。
    但空间的几何形变却解释不了其它三种力，电磁力、强力和弱力似乎都无法通过空间的褶皱来实现。爱因斯坦曾设想，所有的物质都是空间扭结和振动而形成，换句话说，我们看到的周围的一切，从树和云到天上的星星，都可能是一个幻觉，是某种形式的空间褶皱。若这种思想是正确的，另外三种力也必定与引力一样，是空间的几何形变所引起的必然结果，这样，四种力就统一到空间弯曲的几何学中了，空间弯曲的不同方式会造就不同的力。然而，在微观世界里，空间根本就不是平滑的，而是有无数的粒子在剧烈且永不停息地喧嚣，广义相对论的核心原理——光滑的空间几何概念，在这里被破坏殆尽。
    对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为，在这个理论体系中，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，由于质量小到几近于零，这些粒子的运动轨迹变化莫测，毫无规律可循。在这里，力是由粒子的交换而来的，电磁力是由光子交换而来，弱力是由弱规范玻色子交换而来，强力是由胶子交换而来。例如，两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果，两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响，这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球，通过传球，两个人的运动状态都在受到影响。其它两种力的相互作用也是如此。
    但是，因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的，而且，在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总是在杂乱无章地运动，它们之间的引力从何谈起？因此，量子理论无法涵盖引力。
    广义相对论与量子理论不能统一，成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信，在宇宙的微观层面和宏观层面，居然不是一个统一连贯的整体，我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。为了能让两个理论协调起来，物理学家做过大量的尝试，他们以这样那样的方法，要么修正广义相对论，要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人，但结果却一个跟着一个失败。
    于是，超弦理论来了。
    粒子怎样变成弦？
    一连串的疑惑不得不使科学家认真考虑：也许在基本粒子内部存在一种更深层的结构，这种结构尚未被我们所理解。自20世纪60年代以来，在科学家孜孜不倦地努力下，一个新的理论逐渐浮出水面，这就是超弦理论。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。
    拨动吉他一根弦，你会听到一个音。拨动另一根弦，你会听到另一个不同的音调，因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通过一个吉他的六弦合奏，使这些弦在不同频率振动，便可创造出无数美妙的音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。
    弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象：当我们用力拨动琴弦时，振动会很剧烈；轻轻拨动它时，振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理，能量和质量像一枚硬币的两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意味着小质量。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，反之，振动较轻柔的粒子则质量较小。
    依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。
    在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。现在我们明白了，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。
    以前，我们想象所有的物质粒子都是点状的东西，没有空间大小。但现在我们明白了，那一个个点粒子其实并不是一个个实体的点，而是包含有一片片更微小的空间结构，这样的空间结构的振动乍看起来像是一个个点，是因为我们目前还没有更精微的探测技术。
    物理学家还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。
    弦如何运动？
    弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开像头发（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如，一根开弦可以分裂成两根小的开弦；也可以形成一根开弦和一根闭弦；一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦；两根弦碰撞可以产生两个新的弦。
    但是当一根弦在时空中移动时，它就没那么简单了。弦的运动是如此的复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动（十维空间是数学方程计算的结果）。就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须在三维空间中完成一样。
    点粒子内部的空间不是三维的，可能还有很多维，这似乎非常不可思议，不过，认真想起来，高维空间的存在完全是合理的。为了看清这一点，我们可以举一个水管的例子。我们知道，水管的表面是二维的，但是当我们从远处看它时，它却像是一维的直线。这是为什么呢？原来，水管的那两维很不一样，沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到；而容易绕着管子的那一个圆圈维很短，“卷缩起来了”，不容易发现。你必须走近水管，才能看清绕着圆圈的那一维。
    这个例子表明了空间维度的一个微妙而又重要的特征：空间维有两种。它可能很大延伸得很远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。水管比较粗大，绕着管子的那一维很容易就看到。假如管子很细——像一根头发丝或毛细管那样细，要看那卷缩的维可就不那么容易了。
    在最微小的尺度上，科学家业已证明，我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷缩的维。就是说，我们的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的维——我们寻常经历的三维，也有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧卷缩在一个微小的空间，即使用我们最精密的仪器也根本不能探测它们。
    那些看不见的维可能会有多小呢？我们最先进的仪器能探测到百亿亿分之一米的结构，如果那些维度卷缩得比这个尺度还小，我们就看不见了。科学家的计算表明，卷缩的维可能小到普朗克长度（即10-33厘米），是目前的实验远远不可能达到的。
    为什么需要多维空间？
    理解了宇宙的空间有更多维存在，再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的，我们就很容易理解了：这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维空间里才能得到统一。
    为了更好地理解这一点，我们可以举一个三维世界和二维世界的例子。我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命，它们的世界里只有长和宽，根本无法理解第三维——“高”这一维。因此，它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影，或者三维物体与平面世界的接触面，试想一想，一个平面生命怎么能够通过投影来想象三维物体的丰富性和完整性呢？当三维物体与平面世界接触时，三维物体在平面世界上的零碎片段，比如一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印，更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢？它们不能想象，四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子呢？那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢？而且，鞋的上面竟然还有一个更加完整的人！用二维的眼光来打量这些碎片，你永远不可能将它们拼成一个整体。
    于是有一天，一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它宣布，平面世界之外还有一个“向上”的第三维，如果顺着这些碎片“向上”看，其实碎片是一个完整的整体！这真是个惊人的见解，大多数平面生命都困惑不解。
    相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似，在我们的三维空间里，它们就像两块互不相干的碎片，永远也