策点洞察

纵观历史,几乎在每个古代社会,人们都相信有其他层次的存在,有天神和幽灵的居所。基督教徒相信天堂、地域和炼狱。佛教徒相信涅槃和各种形态的意识。印度教徒则拥有数千种层次的存在。

近来,平行宇宙的概念成了理论物理学家之间辩论得最热烈的话题之一。在科学文献中,讨论得最激烈的有至少三种类型的平行宇宙:

a. 超空间,或者高维空间

b. 多元宇宙

c. 量子平行宇宙

超空间

有一种平行宇宙是历史最悠久的辩论对象——高维空间。我们生活在三维(长、宽、高)空间内,这是常识。无论我们在空间中怎样移动物体,所有的方位都可以用这种三维空间坐标表示。事实上,我们可以用这三个数字标出宇宙中任何物体的方位,从我们的鼻子尖到所有星系最遥远的角落。

四维空间似乎有违常识。如果一个房间充满烟雾,那么我们不会看到烟雾消失在另一个维度中。在2 000 年的时间里,任何敢谈论第四维度的数学家都要冒着被嘲讽的风险。然而,奥尔格·波恩哈德·黎曼写下了基础高维度数学(在数十年后被大量引入爱因斯坦的广义相

对论中)。黎曼的一次著名演说就像一阵强烈的旋风,推翻了拥有2 000 年历史的古希腊几何学,并且建立高等、弯曲的维度的基本数学,至今我们仍然在使用它。

在历史上,四维空间被物理学家认为不过是一种好奇心的产物。有关高维空间的证据从来没有被发现过。

弦理论

在《生活大爆炸》中,Sheldon的主攻研究方向就是弦理论。如果你是《生活大爆炸》的忠实观众,你能不能解释出什么是弦理论呢?

超弦理论断定,电子和其他亚原子粒子不过是一根弦的不同振动形式,它像一个微型橡皮筋那样起作用。如果击打橡皮筋,那么它将以不同的方式振动,每种振动相当于一种不同的亚原子粒子。这样,超弦理论解释了目前为止已经在我们的粒子加速器中发现的数百种亚原子粒子。爱因斯坦的理论事实上仅仅是弦的最低水平的振动之一。

弦理论被认为是一种“万有理论”,是传说中爱因斯坦在人生最后30 年中感到困惑的理论。爱因斯坦想要一种单一的、全面的理论,概括所有物理定律,能够使他“读取上 帝的意志”。如果弦理论能正确统一万有引力和量子理论,那么它或许象征着自2 000年前古希腊人提出物质由何组成的疑问以来科学的最高成就。

但是,超弦理论的古怪特点在于这些弦只能在特定的时空维度中颤动,它们只能在十维中振动。如果试图在其他维度中创造一种弦理论,那么它会在数学上崩溃。

高中时我们学到,当我们进入太空的时候,我们承受的地球引力会减小。更精确地说,引力的减小与距离的平方成正比。但这只是因为我们生活在一个三维世界中。但是,如果宇宙有四个空间维度,那么引力的减弱就应当与距离的立方成正比。如果宇宙有n 个空间维度,那么引力应当以n-1次幂减弱。牛顿著名的反平方定律经测试被证明在天文距离下极为准确,那就是为什么我们能以惊人的精确度让空间探测器飞过土星的光环。

2008 年在瑞士日内瓦郊外投入使用的大型强子对撞机用于寻找名叫“超粒子”的新型粒子,它是超弦的一种较高的振动形式(你在自己周围所看到的一切都只是超弦的最低振动)。如果超粒子由大型强子对撞机发现,那它可能标志着一场我们看待宇宙方式的革命。在这样的宇宙中,标准模型仅仅代表超弦的最低颤动。

基普·索恩说:“到2020 年,物理学家们会理解量子引力的定律,会发现它是弦理论的一种变体。”

除了高维空间,弦理论还预测了其他平行宇宙,那就是“多元宇宙”。

多元宇宙

普林斯顿高级研究所的爱德华·威腾和剑桥大学的保罗·汤森推断,所有的五种弦理论其实是同一种弦理论——只要我们添加第十一个维度。在第十一维度中,可以存在一种新的数学对象,叫作膜(比如,一个球体的表面)。这里有一种惊人的发现:如果一个人从十一维掉入十维,全部的五种弦理论都会出现,从一层膜开始。因此,所有的五种弦理论都不过是将一层膜从十一维时空移到十维时空。

为了把这个发现形象化,想象一个在中间缠着一条橡皮筋的沙滩球。想象用一把剪刀把球一切为二, 一半在橡皮筋上,一半在橡皮筋下,因此,将沙滩球的上半部分和下半部分去掉后,剩下的就是橡皮筋—— 一根弦。以同样的方法,如果我们卷起第十一维,一张膜所留下的就只是它的中纬线,那是一根弦。

第十一维度给予了我们全新的图景。它还意味着或许宇宙本身是一张膜,漂浮在一个十一维时空中。并且,并非所有这些维度都必须很小。事实上,有些维度可能是无限大的。

这提出了我们的宇宙存在于一个其他宇宙的多元宇宙中的可能性。想象一大堆漂浮的肥皂泡,或者膜。每个肥皂泡代表一个漂浮在一个更大的十一维超空间中的宇宙。这些肥皂泡可以与其他肥皂泡相互联合,或者破裂,甚至短暂出现又消失。我们可能仅仅生活在这些肥皂泡宇宙之一的表面上。

根据弦理论的预测,有多少宇宙?弦理论有一个令人窘迫的特征——宇宙可能有成千上万个,个个符合相对论和量子理论。

一般来说,这些宇宙之间的交流是不可能的。我们身体的原子就像被捕蝇纸困住的苍蝇。我们能够在自己的膜宇宙的三维中任意行动,但是我们不能跳下宇宙进入超空间,因为我们被粘在了自己的宇宙里。但引力作为时空的弯曲可以自由地在宇宙间的空间里漂浮。,有一种理论认为,暗物质(一种包围宇宙的不可见物质)或许是漂浮于一个平行宇宙中的普通物质。同样,有推测称,暗物质或许是一个漂浮于我们之上另一个膜宇宙中的普通星系。我们能够感觉到这个星系的引力,因为引力会慢慢在宇宙之间流动,但是另一个星系对我们而言是不可见的,因为光在星系下面移动。这样,这个星系将具有引力,但不可见,这符合对于暗物质的描述。

大多数平行宇宙可能已经死去,由无形的亚原子粒子(比如电子和中微子)气体组成。在这些宇宙中,质子或许是不稳定的,因此我们所知的一切物质都会慢慢衰变和溶解。由原子和分子组成的复杂物质在许多这样的宇宙中或许不可能存在。其他平行宇宙可能恰恰相反,具有远远超出我们想象的复杂物质形式。它们可能并不只拥有一种由质子、中子和电子组成的原子,而是具有一系列令人眼花缭乱的其他稳定物质形态。

多元宇宙的理论具备一项对其有利的事实。当我们分析自然的常数时,我们发现它们被“调节”得非常精确,允许生命存在。如果增加核力的强度,恒星就会以过快的速度烧尽,无法让生命产生。如果降低核力的强度,那么恒星永远不会燃烧,生命无法存在。如果加强万有引力,那么我们的宇宙会在一场“大挤压”中快速死去。如果减弱万有引力,那么宇宙会膨胀成一场“大冻结”。事实上,大自然的常数中有大量“偶然”,允许了生命存在。看起来,我们的宇宙存在于一个具有很多参数的“适居带”内,所有的参数都被“微调”成适合生命生存。因此,我们要么就接受这个结论:存在某种形式的上 帝,他选择了我们的宇宙,让它“刚好”适合生命;要么就有数十亿个平行宇宙,其中有许多已经死亡。正如弗里曼·戴森所说:“宇宙似乎知道我们即将到来。”

量子宇宙

“量子宇宙学”的概念最初似乎在名称上是自相矛盾的:量子理论涉及的是极小的原子世界,而宇宙学涉及的是整个宇宙。但想想这个:在大爆炸的那一刻,宇宙比一个电子还小得多。每一个物理学家都认同电子必须被量子化,即它们是由一个或然性波动方程(狄拉克方程)描述的,并且能存在于平行状态中。因此,如果电子必须被量子化,如果宇宙曾经小于一个电子,那么宇宙一定也存在于平行状态中——一种自然通往“多世界”的方式。

在量子宇宙学中,物理学家们从一个薛定谔方程的模拟入手,它支配电子和原子的波函数。他们使用作用于“宇宙波函数”的德威特-惠勒方程。通常,薛定谔波函数定义的是时间与空间中的每一点,因此你就可以计算在时间和空间的那一点找到电子的可能性。但是“宇宙波函数”定义的是所有可能存在的宇宙。如果宇宙波函数碰巧在定义某个特定宇宙时很大,就意味着那个宇宙很可能会是一个特殊的宇宙。

霍金推动了这一观点。他宣布,我们的宇宙是宇宙中特殊的存在。我们的宇宙波函数较大,而其他大多数宇宙的波函数则接近零。这样,在多元宇宙中存在其他宇宙的可能性虽然很小,但有限。事实上,霍金试图用这种方式得出膨胀率。在这幅景象中,一个膨胀的宇宙比不膨胀的宇宙更有可能存在,因此我们的宇宙是膨胀的。

我们的宇宙来自时空泡沫的“虚无”,这一理论似乎完全无法验证,但它符合一些简单的观测结果。

第一,许多物理学家指出,我们宇宙中的正电荷总数和负电荷总数相抵刚好为零,这非常惊人,至少在实验的精确性之内是这样的。我们认为太空中的引力是主导力量,这是事实,但这不过是由于正负电荷正好相互抵消了。如果地球上的正负电荷之间有最微小的不平衡,那么它或许可以将地球撕裂,战胜将地球维持成一个整体的引力。要解释正负电荷之间如此平衡有一个简单的方法:假设我们的宇宙来自“虚无”,并且“虚无”没有电荷。

第二,我们的宇宙的旋转为零。尽管库尔特·哥德尔用了多年时间试图通过累加各个星系的旋转来证明宇宙在旋转,但如今天文学家们相信整个宇宙的旋转为零。如果宇宙出自“虚无”,那么这个现象就很容易解释了,因为“虚无”的旋转为零。

第三,我们的宇宙出自“虚无”有助于解释为什么宇宙的物质-能量内容总和如此之小,甚至可能是零。当我们将物质的正能量和与引力相关的负能量相加时,两者似乎完全相互抵消。根据广义相对论,如果宇宙是封闭的、有限的,那么宇宙的物质-能量总量应该刚好为零。

当前,我们的科技远不足以证明这些平行宇宙的存在,但平行宇宙的存在不与物理定律相悖。

书名:《不可思议的物理》作者:加来道雄译者:夏璐

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