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2014年9月20日 星期六

甲午(马)年八月廿七

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超膜理论(超膜理论)

超膜理论即M理论、膜理论。20世纪90年代,理论物理学界在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜(M)理论。超膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜。超膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。超膜理论是弦理论的扩充,超膜理论揭示了弦理论的第10维空间方向,其最大维度是11维。

在九八年二月的‘美国科学’上,有一篇介绍M理论的文章。The theory of M: M stands for magic, mystery or member 。讲了统一场论的最新进展。一个粒子不但有电荷的相吸,还有磁场的相互作用。两者的统一构成引力。我们一直以为影响无限小的粒子的因素与影响着地球般大小的星球的因素是不同的。因为过去的所有理论难以用于同时解释粒子和星球的运动。也难以解释引力的形成。而M理论则正是一种正在形成的可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙的统一场地论学说。文章中说这个理论为近年来越来越多的实验所证实,可能是继相对论以来,本世纪最伟大的物理学理论之一。据说在超弦理论的研究中,发现十维空间还有理论漏洞,新的膜理论就再在超弦的线上展拓成超膜,以十一层空间来解释宇宙。而只有其中四维空间可为人类所感觉,其余的感觉不到的空间,就如声波和光谱一样,我们人类听不到超声波和也看不到红外线,却不因我们的不能察觉而就可认为根不存在。正是在更高的空间里,物体的电场和磁场相互作用形成万有引力。也只有引入更多的空间才可以解释为什么分子的结构有左旋和右旋的向性不同。 而宇宙的许多自然之谜如黑洞、超自然力、意志力、时空通道等,以更多空间的理论才有可能存在和解释。

基本思想

这一理论由霍金发扬光大,以下的霍金公众演讲《膜的新世界》详细阐述了此思想: 我想在这次演讲中描述一个激动人心的新进展它可能改变我们关于宇宙和实在本身的观点。这个观念是说,我们可能生活在一个更大空间的膜或者面上。膜这个字拼写为BRANE,是由我的同事保罗 汤森为了表达薄膜在高维的推广而提出的。它和头脑是同一双关语,我怀疑他是故意这么做的。我们自以为生活在三维的空间中,也就是说我们可以用三个数来标明物体在屋子里的位置,它们可以是离开北墙五英尺离开东墙三英尺还比地板高两英尺,或者在大尺度下,它们可以是纬度、经度和海拔。在更大的尺度下,我们可以用三个数来指明星系中恒星的位置,那就是星系维度、星系经度以及和星系中心的距离。和原来标明位置的三个数一到,我们可以用第四个数来标明时间。这样,我们就可以这样把自己描述成生活在四维时空中,在四维时空中可以用四个数来标明一个事件,其中三个是标明事件的位置,第四个是标明时间。爱因斯坦意识到时空不是平坦的,时空中的物质和能量把它弯曲甚至翘曲,这真是他的天才之举。根据广义相对论,物体例如行星企图沿着直线穿越时空运动,但是因为时空是弯曲的,所以它们的路径似乎被一个引力场弯折了。这就像你把重物代表一个恒星放在一个橡皮膜上,重物会把橡皮膜压凹下去,而且会在恒星处弯曲。现在如果你在橡皮膜上滚动小滚珠,小滚珠代表行星,它们就围绕着恒星公转。我们已经从GPS系统证实了时空是弯曲的,这种导航系统装备在船只、飞机和一些轿车上。它依靠比较从几个卫星来的信号而运行的。如果人们假定时空是平坦的,它将会把位置计算错。

问题的提出

三维空间和一维时间是我们看到的一切。那么我们为什么要相信我们不能想起不能观察到的它的额外维呢?它们仅仅是科学幻想呢,还是能够被看的到的科学后果呢?我们认真地接受额外维的原因是,虽然爱因斯坦广义相对论和我们所作的一切观测相一致,该理论预言了自身的实效(还是失效?我觉得该是失效)。罗杰彭罗斯和我在讨论广义相对论时预言时空在大爆炸处具有开端,在黑洞处有终结。在这些地方广义相对论失效了。这样人们就不能够预言宇宙如何开端,或者对落进黑洞的某人将会发生什么。

理论解释

广义相对论在大爆炸或黑洞处失效的原因是没有考虑到物质的小尺度行为。在正常情况下,时空的弯曲是非常微小的,并也是在相对场的尺度上,所以它没有受到短距离起伏的影响。但是在时间的开端和终结,时空就被压缩成单独的一点。为了处理这个,我们学要把非常大尺度的理论即广义相对论和小尺度的理论即量子力学相结合。这就创生了一种TOE,也就是万物的理论,它可用来描述从开端直到终结的整个宇宙。我们迄今已经花费了三十年的心血来寻找这个理论,目前为止我们认为已经有了个候选者,称为M理论。事实上,M理论不是一个单独的理论,而是理论的一个网络,所有的理论事物都在物理上等效。这和科学的实证主义哲学相符合。 在这哲学中,理论只不过是一个数学模型,它描述并且整理观测。(Positivist Philosophy -- A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations)人们不能询问一个理论是否反映现实,因为我们没有独立于理论的方法来确定什么是实在的。甚至在我们四周,被认为显然是实在的物体,从实证主义的观点看,也不过是在我们头脑中建立的一个模型,用来解释我们视觉和感觉神经的信息。当人们把贝克莱主教的没有任何东西是实在的见解告诉约翰逊博士时,既然他用脚尖踢到一个石头并大声吼叫,那么我也就驳斥这种见解。 但是我们也许都和一台巨大的电脑模拟连在一起,当我们发出一个马达信号去把虚拟的脚摆动到一块虚拟的石头上去,它发出一个疼痛的信号。也许我们也就是外星人玩弄的电脑游戏中的一个角色。不再开玩笑了,关键在于我们能有几种不同的对于宇宙的描述,所有的这些理论都预言同样的观察。我们不能讲一种描述比另外一种描述更实在,只不过是对一种特定情形更方便而已。所以M理论网络中的所有理论都处于类似地位。没有一种理论可以声称比其余的更实在。 令人印象深刻的是,M理论网络中的许多理论的时空维数具有比我们经验到的四维更高。这些额外维数是实在的吗?我必须承认我曾经对额外维持迟疑的态度。但是,M理论网络配合得天衣无缝,并且具有这么多意想不到的对应关系,使我认为如果不去相信它,就如同上帝把化石放进岩石去误导达尔文去发现进化论一样。 在这些网络的某些理论中,时空具有十维,而在另一些中,具有十一维。这是如下事实的有一个迹象,即时空以及它的维不是绝对的独立于理论的量,而只不过是一个导出概念,它依赖于特殊的数学模型而定。那么对我们而言,时空显然是四维的,而在M理论是十维或者十一维的,这是怎么回事呢?为什么我们不能观察到另外的六或七维呢? 这个问题是传统的,也是迄今仍被普遍接受的答案是,额外维全部被卷曲到一个小尺度的空间中,余下四维几乎是平坦的。它就像人的一根头发,如果你从远处看它,它就显得像是一维的线。但是如果你在放大镜下看它,你就看到了它的粗细,头发的的确确是三维的。在时空的情形下,足够高倍数的放大镜应能揭示出弯卷的额外维数,如果它存在的话。事实上,我们可以利用大型粒子加速器产生的粒子把空间探测到非常短的距离,比如在日内瓦建造的大型强子碰撞机。至少,迄今我们还没有探测到超出四维的额外维的证据。如果这个图象是正确的,那么额外维就会被卷曲到比1厘米的一百亿亿分之一还小。 我刚才描述的是处理额外维的传统手段。它意味着我们有较大的机会探测到额外维的仅有之处是宇宙的极早期。然而最近有人提出更激进的设想,额外维中的一维或者二维尺度可以大的多,甚至可以是无限的。因为在粒子加速器中没有看到这些大的额外维,所以必须假定所有的物质粒子被局限在时空的一个膜或面上,而不能自由地通过大的额外维传播。光也必须被限制在膜上,否则的话,我们就已经探测到大的额外维,粒子之间的核力的情形也是如此。另一方面,引力是所有形式的能量或质量之间的普适的力。它不能被限制在膜上,相反地,它要渗透到整个空间。因为引力不仅能够耗散开,而且能够大量发散到额外维中去,那么它随距离的衰减应该比电力更厉害。电力是被限制在膜上的。然而我们从行星轨道的观测得知,太阳的万有引力拉力,随着行星离开太阳越远越下降,和电力随距离减小的方式相同。 这样,如果我们的确生活在一张膜上,就必须有某种原因说明为何引力不从膜往很远处散开,而是被限制在它的附近。一种可能性是额外维在第二张影子膜上终结,第二张膜离我们生活其中的膜不远。我们看不到这张影子膜,因为光只能沿着膜旅行,而不能穿过两膜之间的空间。然而我们可以感觉到影子膜上物体的引力。可能存在影子星系、影子恒星甚至影子人,他们的行正为感受到从我们膜上的物质来的引力而大大惊讶。对我们而言,这类影子物体呈现成暗物质,那是看不见的物质。但是其引力可以被感觉到。 事实上,我们在自身的星系中具有暗物质的证据。我们能看到的物质的总量不足以让引力把正在旋转的星系抓在一起。若不存在某种暗物质,该星系将会飞散开。类似地,我们在星系团中观测到的物质总量也不足以防止它们散开,这样又必须存在暗物质。当然,影子膜并不是暗物质的必要条件。暗物质也许不过是某种很难观测到的物质的形式,例如wimp(弱相互作用重粒子),或者褐矮星以及低质量恒星,后者从未热到足以使氢燃烧。 因为引力发散到我们的膜和影子膜之间的区域,在我们膜上的两个邻近物体间的万有引力随距离的下降会比电力更厉害,因为后者被局限于膜上。我们可能在实验室中,利用剑桥的卡文迪许爵士发明的仪器测量引力的短距离行为。迄今我们没有看到和电力的任何差异,这意味着膜之间距离不能超过一厘米。按照天文学的标准这是微小的,但是何其他额外维的上限相比是巨大的。正在进行短距离下引力的新测量,用以检测膜世界的概念。

其他可能性

另一种可能性是,额外维不在第二张膜上终结,额外维是无限的,但是正如马鞍面一样被高度弯曲。莉萨 朗达尔和拉曼 桑德鲁姆指出,这种曲率的作用和第二张膜相当类似。一张膜上的一个物体的引力影响,将不会在额外维中发散到无限去。正如在影子膜模型中,引力场长距离的衰减正好用以解释行星轨道和引力的实验室测量,但是在短距离下引力变化得更快速。然而在朗达尔-桑德鲁姆模型和影子膜模型之中存在一个重大的差别。物体受引力影响而运动,会产生引力波。引力波是以光速通过时空传播的曲率的涟漪。正如光的电磁波,引力波也必须携带能量,这是一个在对双脉冲星观测中被证实的预言。 如果我们的确生活在具有额外维的时空中的一张膜上,膜上的物体运动产生的引力波就会向其它维传播。如果还有第二张影子膜,它们就会反射回来,并且被束缚在两张膜之间。另一方面,如果只有单独的一张膜,而额外维无限的延伸,就像朗达尔-桑德鲁姆模型中那样,引力波会全部逃逸,从我们的膜世界把能量带走。这似乎违背了一个基本物理原则,即能量守恒定律。它是讲总能量维持不变。然而,只是因为我们对所发生事件的观点被限制在膜上,所以就显得定律被违反了。一个能看到额外维的天使就知道能量是常数,只不过更多的能量被发散出去。 只有短的引力波才能从膜逃逸,而仅有大量的短引力波的源似乎来自于黑洞。膜上的黑洞会延伸成在额外维中的黑洞。如果黑洞很小,它就几乎是圆的。也就是说它向额外维延伸的长度就和在膜上的尺度一样。另一方面,膜上的巨大黑洞将会延伸成"黑饼"。它被限制在膜的邻近,它在额外维中的厚度比在膜上的宽度小得多。 若干年以前,我发现了黑洞不是完全黑的:它们会发射出所有种类的粒子和辐射,它们就如热体一样。粒子和象光这样的辐射会沿着膜发射,因为物质和电力被限制在膜上。然而,黑洞也辐射引力波,这些引力波不被限制在膜上,也向额外维中传播。如果黑洞很大,并且是饼状的,引力波就会留在膜的附近,这意味着黑洞以四维时空中所预想的速度损失能量和质量。因此黑洞会缓慢地蒸发,尺度缩小,直至它变得足够小,使它辐射的引力波开始自由地逃逸到额外维中去。对于膜上的某人,黑洞就相当于在发散暗辐射,也就是膜上不能直接观察到的辐射,但是其存在可以从黑洞正在损失质量这一事实推出。这意味着从正在蒸发的黑洞来的最后辐射暴显得比它的实际更不激烈些,这也许是为什么我们还未观测到伽马线暴,后者由正在死亡的黑洞产生。 虽然还存在另一种乏味的解释,就是说不存在许多这样的黑洞,其质量小到不迟于宇宙的现阶段蒸发。这真是遗憾,因为如果发现一个低质量的黑洞,我就会获得诺贝尔奖。 对于膜世界的产生有几种理论。一种版本是称为Ekpyrotic宇宙的影子膜模型。Ekpyrotic 这个名字有点绕嘴,但是它是从希腊文来的,意思是运动和变化。在Ekpyrotic场景中,人们认为我们的膜以及影子膜存在了无限久。他们是在无限的过去在静态中启始的。膜之间一个非常小的力就使他们相互运动,膜就会碰撞,并且相互穿越,产生大量的热和辐射。这一碰撞被认为是大爆炸,也就是宇宙热膨胀相的启始。 关于膜是否能够碰撞以及如此这般行为,存在许多未解决的技术问题。但是,即是膜具有所需要的性质,以我的意见,Ekpyrotic场景也是不能令人满意的。它要求膜在无限的过去启始时,处于一种以不可思议的精度调准的位形之中。膜的初始条件的任何微小变化,都会使碰撞变得乱糟糟的,产生一个高度无规的膨胀宇宙,一点也不像我们现在观察到的这个几乎光滑的宇宙。如果膜从它们的基态或者最低能态启始,初始条件被精确指定便是很自然的了。但是如果存在最低能态,膜将会停留在那儿,而永不碰撞。但事实上,膜从一个非稳态启始,必须人为地让它处于这种态。这必须是一只相当稳定的手,才能使初始条件那么精确。但是,但是如果一个人能够做到这一点,他能够使膜从任何方式启始。 按照我的意见,膜世界启始的更远为吸引人的解释是,它作为真空中的起伏而自发产生。膜的产生有点像沸腾水中蒸气泡的形成。水液体中包含亿万个H2O分子,它们在最靠近的邻居之间耦合,并且挤在一起。当水被加热上去,分子运动得更加快,并且相互弹开。这些碰撞偶然赋予分子如此高的速度,使得它们中的一群能摆脱它们的键,形成热水围绕着的蒸气小泡泡。泡泡将以随机的方式长大或缩小,这时液体中来的更多的分子参与到蒸气中去,或者相反的过程。大多数小蒸气泡将会重新塌缩成液体,但是有一些会长大到一定的临界尺度,超过该临界尺度泡泡几乎肯定会继续成长。我们在水沸腾时观察到的正是这些巨大的膨胀的泡泡。 膜世界的行为很类似。真空中的起伏会使膜世界作为泡泡从无中出现。膜形成泡泡的表面,而内部是高维空间。非常小的泡泡将重新塌缩成无。但是一个由量子起伏成长的泡泡超出一定的临界尺度,很可能继续膨胀。在膜上,也就是在泡泡的表面上的人们(例如我们)会以为宇宙正在膨胀。这就像在气球的表面上画上星系,然而把它吹涨,星系就相互离开,但是没有任何星系被当作膨胀的中心。让我们希望,没有人持宇宙之针将泡泡放气。随着膜膨胀,内部高维空间的体积会增大。最终存在一个极具巨大的泡泡,它被我们生活其中的膜环绕着。膜也就是泡表面上的物质将确定泡泡内部的引力场。 平等地,在内部的引力场也将确定膜上的物质。它就像一张全息图。一张全息图是一个三维物体被编码在一个二维表面上的象。我对全息图的全部知识是,在一张图上是星际航行的一集中的场景,我本人与牛顿和爱因斯坦在一起。类似于,我们认为是四维时空的也许只是五维泡泡内部区域所发生的事件的一张全息图。这样,什么是实在的呢?是泡泡还是膜?根据实证主义哲学,这是没有意义的问题。因为不存在独立于模型的实在性的检验,或者说什么是宇宙的真正维数是没有意义的,四维和五维的描述事等效的。我们生活在三维空间和一维时间的世界中,我们对这一些自以为一清二楚。但是我们也许只不过是闪烁的篝火在我们存在的洞穴的墙上的投影而已。但愿我们遭遇到的任何魔鬼都是影子。膜世界模型是研究的热门课题,它们是高度猜测性的。但是它们提供了可供观测验证的新行为,它们可以解释为什么万有引力为什么这么弱。在基本理论的基础中,引力也许相当的强大但是引力在额外维散开意味着,在我们生活其中的膜上的长距离引力变弱了。如果引力在额外维中更强,那么在高能粒子碰撞时形成小黑洞就容易得多。这也许在日内瓦建造中的LHC也就是大型强子碰撞机上可能实现。一个微小的黑洞不会吃掉地球,不像报纸中绘声绘色的恐怖故事那样。相反地,黑洞将会在“霍金辐射”的“扑”的一阵中消失,而我将得到诺贝尔奖。我们可以发现一个膜的新奇世界。

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更新时间 : 2014-05-26

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