主题:【评论】霍金的宇宙 -- 不爱吱声

大河奔流 导读 复 20 阅 38354

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2003-12-11 09:15:31
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不爱吱声
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【文摘】霍金的宇宙(3) 3

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大爆炸时,奇点的质量当然十分巨大――包括了整个宇宙的所有质量。大爆炸后,随着宇宙温度的不断下降,基本粒子和四种基本力逐渐出现。正是这些基本粒子和基本力决定了所有物质的命运。

  涉及到四种基本力时,宇宙学家碰到了问题。一个宇宙理论必须适用于所有时间里发生的一切,必须用一个可证明的方程将所有在微观和宏观世界中起作用的基本力包含进去。然而,目前所有的数学计算只能包含三种基本力:电磁力(它把电子和原子核联系在一起)、强相互作用力(它把原子核内的基本粒子束缚在一起)和弱相互作用力(它作用于放射现象)。而第四种基本力,即万有引力,在人们所有的尝试中都未能被包含在同一个宇宙理论中。其原因在于:引力是以物质为前提的。而在大爆炸时,质量聚集于一个非物质的点――奇点,它不是物质。

  引力在量子世界里是如何作用的呢?由于物理学家们至今未解开这个谜,因而,目前并没有一个单一的用于描写宇宙的大统一理论,而是相互补充的两个理论:爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论。相对论描写的是宏观世界。根据该理论,宇宙拥有三维空间外,还有第四个维,即时间;并且,宇宙中有引力。而量子论描写的是微观世界中的种种过程:在该理论中不考虑引力作用。

  现在,霍金试图用他的宇宙论建立一个单一的宇宙理论――建立这样的一种理论一直是晚年爱因斯坦的梦想。当然,只有他做到将引力纳入量子的微观世界,这个单一的宇宙理论才能成立。霍金说:“要理解宇宙的起源,我们需要一个量子引力理论。”

  新奇的胚世界

  霍金首先追溯到弦理论,并且将之扩展。弦理论认为,构成物质的基础并不是点状的电子、光子和夸克等粒子,而是弦。三十多年来,世界上一批天才的科学家创建了一门叫做“弦论”的学科,其最新版本叫做M理论。弦论解释所有已知的自然力(强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力),所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间中的一维客体,弦的概念可以进一步推广到P―胚,后者是高维空间中的P维客体。物理学家为此创造了一个新词brane (胚),这个词迄今尚未收进牛津词典中。当p=1时,胚就是弦:当p=2时,胚就是膜;当p≥3时,胚就是p―胚。

  物理学家认为,这些看起来像基本粒子的东西实际上都是很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。虽然还没有人观测到线状的弦,但在数学上可以计算出弦的大小:若将弦与原子相比较,就如同将原子同整个太阳系比较。此外,还可计算出弦论必定自治地包含引力相互作用――因为弦是量子化的,所以弦论是一个量子引力理论的候选者。

  可是,为什么我们对此毫无察觉呢?霍金说:“那是因为大爆炸之后只有四维,即空间(长度、宽度、高度)和时间平展成合适的尺度。”额外的维或者是被弯卷得非常小,或者是其效应没有被目前的观测所发现。后一种可能性激起了霍金的巨大热情,使他倾向于胚世界理论。霍金认为,这种额外的维存在于宇宙中的每一点,也就是说存在于整个空间。


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