果壳中的宇宙…是谁的书

2025-02-13 11:33:26

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回答1：

“果壳中的宇宙”典出莎士比亚的《哈姆雷特》。哈姆雷特在剧中吟唱道：即便把他关在果壳中，他仍然是无限空间之王。艺术和科学是息息相通的，莎翁和霍金本就是他们各自领域中的无限空间之王。宇宙学家霍金认为，整个宇宙是由一个高维果壳状的泡泡演化而来的，果壳上的皱纹（即量子扰动）在演化中产生了今天宇宙的所有结构。 30多年来，世界上一批天才的头脑创建了一门叫做“弦论”的学科，其最新版本叫做M理论。弦论能解释所有已知的自然力（强力、弱力、电磁力和引力），所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间（霍金认为维数应是10维或11维）中的1维客体，弦的概念可以进一步推广到p胚，后者是高维空间的p维客体。霍金认为，时空就是一张推广了的“膜”，不过这张膜不是2维的，而是4维的。物理学家为此创造了一个新词brane，尽管这个词已被使用了十多年，目前似乎尚未被牛津词典收入，在我国的一些学术文章中将它译为“胚”。当p等于零时，胚就是点粒子；当p等于1时，胚就是弦；当p等于2时，胚就是膜（menbrane）；而在一般情况下，就称为胚，即高维的“膜”。人们常说，弦论是一门21世纪的数学，却不幸地早产于20世纪。所以，虽然人们已经讨论了弦论的许多性质，更知道它是一个真正了不起的理论，但要把弦论讲清楚实在不容易。弦论的基本假设是：不存在粒子，而只有弦在空间中运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。弦论假设只存在一种弦，而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦随时间运动时，它的轨迹不是一条线而是一根管子。两条弦还可以结合形成一条新弦，一条弦也可以分裂成两条。自然界中的一切相互作用，包括电子和光子的相互作用，都可以用弦的分裂和结合来解释。在研究的过程中，存在着五个不同种类的自洽弦理论，这与弦论追求一种单一理论的初衷相左。经过数年努力，物理学家终于找到解决问题的钥匙。尽管目前这一理论还未得到一个大家一致赞同的形式，但至少已为它起了一个名字：M理论。在M理论中，空间和时间以普朗克尺度为基本单位。普朗克尺度可以根据已知的基本原理来建立，普朗克长度为10－33厘米，普朗克时间为10－43秒。在M理论中，时空是10维或者是11维的，为什么日常生活中所见的时空是4维的呢？霍金认为，存在着两种可能的解释：一可能是所有额外维的尺度非常小，甚至如普朗克尺度那样小，实在难以观察到；二可能是额外维的尺度相当大，甚至可达无穷大，只是在目前的观察条件下尚未观测到。霍金认为，“大的额外维是新理论探索中的激动人心的进展，它蕴涵着我们生活在一个胚世界中，一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’”中。强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚中，所以任何与引力不相关的物理问题就会和在4维时空中的一样。比如，支配构成人体的物理定律是描写电磁力的量子电动力学，所以胚世界的存在，并不会影响到人体的构造。与此相反，引力则会弥散到整个高维空间中去。也就是说，引力随距离的减少可能比以往的估计更快。如果引力的这种更快速减小可延伸至天文距离，就应该在行星轨道上觉察到这一效应。这样，行星轨道会是不稳定的：行星要么掉到太阳中去，要么逃逸到寒冷黑暗的星际空间中去。然而，若该额外维在离人类生活其上的胚不远的另一胚处终结的话，这种效应就不会发生。那么，对于超过两个胚相分离的距离，引力就会如上述像电磁力那样，不能自由地发散开去，而被有效地局限在胚上，并且减小的速率刚好适合于行星轨道。在实验室中精确地测量物体之间万有引力是一件十分艰难的工作，实验尚未探测出当胚的分离小于几毫米时它的效应。尽管理论家预言，在距离短于胚之间的分离距离时，引力会下降得更快速。但是实验研究者迄今缺少有效的手段进行测量，一旦在更短距离下的测量成功，就能鉴别人类所在的胚世界究竟是这样的，还是那样的。为了解释恒星绕着银心转动的速度，就必须假设存在着暗物质。恒星绕银心作缓慢的转动，大约2亿多年转动一周。银河系的形状像一个盘子，银心附近聚集着大量的恒星，银盘里包含了更多的气体、尘埃以及一些恒星。如果套用开普勒定律，银盘外部的恒星的运动速度应当比靠近银心的转得慢，但是观测结果并非如此，整个银盘内恒星的运动速度大致相同。所以，天文学家认为银河系中存在大量暗物质，它们中的大部分分布在银盘的外围，从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。对星系团内全部星系运动状况的研究也得出相同结论。对宇宙更大尺度结构的仔细研究也表明可能存在着暗物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。进一步考虑到宇宙年龄在1秒到3分钟之间的核反应及其宇宙轻元素的丰度，暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这就意味着暗物质应以中微子或类似于中微子（轴子、有质量弱相互作用粒子等）的形式出现，它们不带电荷因而不受电磁力、强力的影响。霍金认为，在4维“膜”世界中，人类生活在一个胚中，邻近还有另一个“影子”胚。因为光被限制在胚中，不能传播到另一个胚，所以人类不能看到影子世界。但是人类会感觉到影子胚中的物质的引力影响。这种引力在人类所在的胚世界中会显示成一种“暗”源。检测“影子”胚的仅有办法是通过引力的途径。霍金说，弦、膜和胚“与宇宙中任何其他东西一样，都会有量子起伏。”这些量子起伏就使得胚这样一类客体会自发地创生和消失。这个过程很有一点像沸腾的水中蒸汽泡形成的过程。量子力学中的海森伯不确定性原理导致了胚从泡泡中创生。如果这个4维泡泡继续长大，那么生活在这个泡泡上的人就会感到宇宙正在膨胀。按照霍金的无边界设想，胚世界的自发创生有一段虚时间的历史。在这段历史中，宇宙像一个果壳：一个4维球面（不妨想像成是一个多了两维的核桃壳）。只是果壳是空的，在这胚世界图像中的4维果壳是满的：人类生活其中的胚在虚时间中的历史是一个4维球，它是一个5维泡泡的边界，而余下的5维或6维是卷曲的，并且卷得非常小。依照霍金的理论，胚在虚时间的历史将决定它在实时间的发展。高维泡泡在虚时间中产生一个完全光滑的球形的4维“果壳”的概率是最高的；然而，这又对应于在实时间内以暴胀方式永远膨胀的胚。星系不能在这种胚世界中形成，从而智慧生命也不会出现。然而，高维泡泡在虚时间中产生一个有点不光滑和偏离球形的4维“果壳”的概率虽然稍低一些，但是却能与实时间中的减速暴胀过程（胚在开始时有一个加速膨胀——暴胀的相，随后膨胀又缓慢下来）相对应。在这个减速暴胀过程中，星系可能形成，智慧生命也会出现。有趣的是，这些智慧生命将会创造一种宇宙理论，认识到他们来自于不那么光滑，也不那么圆的4维“膜”。随着霍金那根神奇的手指，游历了神奇的果壳中的宇宙之后，会有什么感想？果真每个人都是来自于神奇果壳中的生灵?

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