霍金和他的果壳中的宇宙

1、霍金和他壳里的宇宙2002年8月15日11点30分，在美丽的西湖上，当代科学大师霍金教授用他可移动的手指向3000多名听众介绍了“贝壳中的宇宙”。空壳中的宇宙是莎士比亚的哈姆雷特的缩影。哈姆雷特在剧中唱道：即使他被锁在一个果壳里，他仍然是无限空间的国王。艺术和科学密切相关。莎士比亚和霍金在各自的领域里是无限空间之王。宇宙学家霍金认为，整个宇宙是从一个水果壳形状的高维气泡演化而来的，水果壳上的褶皱(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，世界上一群有才华的人创造了一门叫做弦理论的学科，它的最新版本叫做M理论。弦理论可以解释所有已知的自然力(强力、弱力、电磁力和重力)，所以它也被

2、称为万物理论。弦是高维空间中的一维物体(霍金认为维度应该是10或11)。弦的概念可以进一步扩展到P胚，它是高维空间中的一个P维对象。霍金认为时空是一部广义的“电影”，但这部电影不是2D，而是4D。为此，物理学家创造了一个新词brane。虽然这个词已经使用了十几年，但似乎还没有被收入牛津词典，在国内一些学术文章中被翻译成“胚胎”。当p等于零时，胚胎是一个点粒子；当p等于1时，胚胎是一串；当p等于2时，胚胎就是膜。一般来说，它被称为胚胎，即高维“膜”。人们常说弦理论是21世纪的数学，但不幸的是它在20世纪过早地诞生了。因此，尽管人们已经讨论了弦理论的许多性质，并且知道它是一个真正伟大的理论，但要弄

3、清楚它并不容易。弦理论的基本假设是没有粒子，只有弦在空间中运动。弦是在空间中画的圆。弦理论假设只有一根弦，不同的粒子只是弦的不同振动模式。当一根弦随着时间移动时，它的轨迹不是一条线，而是一根管子。两个字符串也可以组合成一个新的字符串，一个字符串可以分成两个。自然界中的所有相互作用，包括电子和光子之间的相互作用，都可以用弦的分裂和组合来解释。在研究过程中，出现了五种不同的自洽弦理论，这与追求单一理论的初衷背道而驰。经过多年的努力，物理学家终于找到了解决问题的关键。目前，这一理论还没有得到大家的认同，但至少它被赋予了一个名称：M理论。在M理论中，空间和时间是基于普朗克尺度的。普朗克尺度可以根据已知

4、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11维的。为什么日常生活中的时空是四维的？霍金认为有两种可能的解释：一种可能是所有额外维度的尺度都非常小，甚至小到普朗克尺度，这真的很难观察到；第二，额外维度的规模相当大，甚至达到无穷大，但在目前的观测条件下还没有观测到。霍金认为，“大的额外维度是探索新理论的一个激动人心的进展，这意味着我们生活在一个胚胎世界，一个四维时空的脸或电影。”强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚胎中，所以任何与重力无关的物理问题都将和四维时空中的问题一样。例如，支配人体的物理定律是描述电磁力的量子电动力学，所以胚胎世界的存

5、在不会影响人体的结构。相反，重力会扩散到整个高维空间。也就是说，重力随距离的减少可能比先前估计的要快。如果这种更快的重力下降可以延伸到天文距离，这种效应应该可以在行星轨道上察觉到。这样，行星的轨道将是不稳定的：行星要么落入太阳，要么逃入寒冷黑暗的星际空间。然而，如果额外维度在另一个胚胎处结束，而这个胚胎离人类居住的胚胎不远，这种效应就不会发生。然后，对于两个胚胎分离之外的距离，引力不能像电磁力那样自由传播，而是有效地限制在胚胎内，递减率正好适合行星轨道。在实验室里精确测量物体之间的重力是一项非常困难的任务。当胚胎分离小于几毫米时，实验还没有检测到它的影响。尽管理论家预测，当距离比胚胎之间的分离

6、距离短时，重力会下降得更快。但是到目前为止，实验研究人员缺乏有效的测量手段。一旦短距离的测量成功，他们就能确定人类生活的胚胎世界是这样还是那样。为了解释恒星围绕银心旋转的速度，有必要假设暗物质的存在。这颗恒星围绕银心缓慢旋转，大约旋转2亿年。银河系的形状像一个盘子。银心附近有很多星星。银盘包含更多的气体、尘埃和一些恒星。如果应用开普勒定律，银盘外的恒星速度应该比银盘中心附近的慢，但观测结果却不是这样。恒星在整个银盘中的速度大致相同。因此，天文学家认为银河系中有很多暗物质，而且大部分都分布在银盘周围，从而加速了这一地区恒星的运动。通过研究星系团中所有星系的运动可以得出同样的结论。对宇宙大尺度结构

7、的仔细研究也表明暗物质可能存在。这种结构看起来像一个星系团和超星系团。此外，考虑到宇宙中1秒到3分钟之间的核反应以及宇宙中大量的轻元素，暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这意味着暗物质应该以中微子或中微子(轴子、与质量弱相互作用的粒子等)的形式出现。)，它们没有电荷，不受电磁力和强力的影响。霍金认为，在四维“膜”世界中，人类生活在一个胚胎中，附近还有另一个“影子”胚胎。因为光被限制在胚胎中，不能传播到另一个胚胎，所以人类看不到影子世界。但是人类会感受到阴影胚胎中物质的重力影响。这种重力将在人类生活的胚胎世界中显示为“黑暗”的源头。检测“影子”胚胎的唯一方法是通过重力。霍金说，弦、膜和胚胎“和

8、宇宙中的任何东西一样，都有量子涨落。”这些量子波动使得像胚胎这样的物体自发地产生和消失。这个过程有点像沸水中蒸汽泡的形成。海森堡在量子力学中的测不准原理导致了由气泡产生胚胎。如果这个四维泡泡继续增长，住在上面的人会觉得宇宙正在膨胀。根据霍金的无边界假设，胚胎世界的自发创造有一个虚拟时间的历史。在这段历史中，宇宙就像一个果壳：一个四维球体(想象成一个有两个以上维度的胡桃壳)。只有壳是空的，但是这个胚胎世界图像中的四维壳是满的：虚拟时间中人类生命中的胚胎的历史是一个四维球体，它是一个五维气泡的边界，而剩下的五维或六维是卷曲的，非常小。根据霍金的理论，胚胎在虚拟时间中的历史将决定其在现实时间中的发展。在虚拟时间内，高维气泡产生完全光滑的球形四维“果壳”的概率最高；然而，这相当于一个胚胎通过膨胀在真实时间里永远膨胀。星系不可能在这个胚胎世界形成，所以智能生命不会出现。然而，在虚拟时间中，高维气泡产生稍微不光滑的球形四维“果壳”的概率稍低，但它可以对应于实时的减速和膨胀过程(胚胎在开始时有一个的加速膨胀阶段，然后膨