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《极简宇宙史》第七部分 迈向已知世界之外的第一步 第5章一个关于弦的理论

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你的机器人同伴现在呈现出一个剪影,身后是奇怪的蓝色电光薄雾,看上去就像是它内部的电子被激发,从它体内的电路板中向外扩散。你们俩现在一起漂浮在外太空里,周围是遥远的星系,就在那个你从完全消失的命运中逃脱的黑洞边上。

你已经看到了所能看到的一切。

你曾经乘坐过飞得非常快的飞机。

你见过量子场的真空波动并熟悉了物质与光。

你还看见恒星爆炸产生新的世界,以及白矮星和黑洞的形成,随后你还看到了黑洞的蒸发,暗示着一种尚未被我们知晓的量子引力理论的存在。

“现在让我们探索更远的地方。”机器人说道。

话音未落,你俩同时开始变小。你看到微粒们从身边飞过。光射过你的身体。你看到所有已知场的真空正发生着波动起伏,而你还在继续变小。你正处于大统一尺度,在这里所有三种量子场被认为以相同的方式行事。你还在变小,已经远远小过了那个曾经缩微版的你的大小。你需要把自己周围的物件放大一千亿亿亿倍才能得到大概人类一根头发丝的宽度。在这里,一开始你什么都看不见。然后,你看见了。

在你面前,有些什么东西。一根弦。一根并不由任何东西形成的弦,构成它的甚至不是时间或空间。当你看着它时,你甚至有一种感觉,觉得在你目光下扭动的这个东西似乎取代了时间与空间这两个概念。

你还没有到达普朗克尺度,你也到不了。在你现在所进入的理论世界里,与你可能的想法相反,那个你曾经确信存在的普朗克尺度根本不存在。但这并不意味着你前面所看到的东西都是错的。它表示的是,在这里,你所熟悉并使用的概念都不再可靠,除了量子理论;但量子理论在这里被用于弦上,而非粒子上。

那个在你眼前扭动的东西或许就是宇宙中最基本的元素。它是量子弦。

有了它的存在,你或许能够解释你之前看到的一切现象,包括引力。包括你所在的整个宇宙的存在。

那个量子弦就在你的眼前,正在振动。量子化的。你无法真正确认它的边缘,但你知道它们的存在,虽然所有关于这个弦的一切都以非常非常快的速度运动着。

它很美,以一种轻快的能量振动着,你感到自己被它吸引。难以抑制地,你伸出手去,捡起了它,就像它就是一根吉他弦。

虽然这根弦并不由任何东西构成,但你看到其中包含着许多种振动,互相堆积叠加,就像乐器上的和弦。在真正的吉他上,最粗的那根弦给出了基调,其他的弦给出了更高的泛音或和弦。当你在这里看着弦时,它就像是一根吉他弦的模糊影像……但又不是吉他弦本身。这是一根没有任何实体的弦,或者如果你愿意的话,可以称它为量子弦,却又能够振动。记得当“量子”一词出现在一个普通名词之前,它所暗示的就是这个普通名词所表示的东西在“量子”之后已经面目全非。在这里,“量子弦”也已经完全不是普通的弦了。弦的振动产生的不是声音,而是光。一颗光子。电磁作用力的携带者。

你前面见过的所有量子粒子,那些构成你身体和宇宙中所有物质的粒子,都能用这些弦的振动来表示……

这时,你右边有些东西引起了你的注意,你转过自己那比微小还要微小的脑袋,看到了另一根弦,一根与原先那根不一样的弦。这次的弦不再像一根吉他弦,而是一个闭合的环。它也在振动。也是量子化的。但它的基本振动所对应的不是光子,而是引力子,引力的携带者。它就是量子化的引力。这个环,闭合的弦,告诉你正在引力的量子理论里穿行。将它置于任何地方,它的振动都会产生与引力完全相同的效应。弄乱了量子引力理论的无穷大不见了。永远消失了。因为你摆脱了事件的时间与空间的概念。在一个光滑连续的时空概念中,考虑点状的微粒们,你很容易就会联想到某个具体的时空点让它们碰撞。在量子场理论中,虽然它本质上相当怪异,但在考虑粒子们相互作用时,依然会说发生在时空上的某个特殊位置。而在弦理论中,就不再如此。在弦理论中,粒子就是弦的振动。弦的振动就是粒子。在它们整个长度与时间中,它们是散发开的。当它们互相作用时,并不发生在某个特定的地点或特定的时间。相互作用发生在整个弦上。这样你就移除了你先前碰到的那许多无穷大。

这个环,这根闭合的弦,含着引力,它就是引力。因为你又有了能释放光子的开放的弦,这两种弦就统一了引力与电磁力……于是量子弦不只是一种量子引力理论。量子引力理论“仅仅”是解决引力问题,以量子的方式。它可不管别的什么量子场。但你在这里看到的量子弦却不同。

那么其他的场会怎样呢?

这里弦能够成为统一一切的理论吗?将引力和所有我们知道的量子场整合在一起?

为此,它们还得对物质作出解释。

物质在哪里?你没有看到任何物质。为什么这些弦如此特殊?它们存在的诡异之处何在?为什么理论家对弦如此着迷?

你完全有理由这么想。虽然借助你所看到的那两根弦(一根闭合,一根开放),你已经能够解释很多现象,但很多并不是全部。“我们继续前进吧。”机器人说道,于是你俩又进一步收缩。

与你相比,那根开放的弦现在已经变得巨大无比,你仔细看着它,发现与你看到它的第一眼相比,又有了更多细节。你接下来所要做的,没有一个由物质构成的人类能够做到,但现在,你能够做到。记住这一点:要想超越已知领域,就意味着总有一些东西需要被放弃。在这里,你需要放弃的是你所在宇宙的特殊性,也就是你或许认为你所在宇宙独一无二的这种想法。但还不止这些。

从牛顿到爱因斯坦,你放弃了宇宙是静态的和一成不变的,以及引力是一种作用力的想法,你不得不引进时空这一概念,三维空间与一维时间交织在一起,成为四维的时空这一单一概念,而且时空自身还在质量与能量周围变形。从牛顿到量子物理学,你不得不放弃粒子是一个固定的点,你必须引入波、场、不确定性以及不同历史这些概念。现在,从引力理论、量子场理论到弦理论,你必须将所有一切基本概念转化成由闭合的或开放的弦所构成的理论。

如果只是这样就简单了,可惜并不止这些。你在这里不得不放弃的是现实只有四维的观念。弦无法存在于一个只有四维的时空之中。它们需要更多空间。它们生活在一个十维宇宙中。

当你随着机器人向弦靠近时,你开始看到在你所认为的被包含在我们宇宙中的每一点,还有另外六个全新的空间维度,每个都含着它们自己的世界。就是从这些微小的额外维度中,产生了构成我们自身的各种物质。

如果我们世界的四维已经让你难以想象,更不要说十维了。不过不用担心。你只要知道它们从我们所熟悉的三维世界的上下、左右和前后的三个方向之外还向着不同的方向延伸就行了。它们过于微小,所以在真实生活中你无法感觉到它们的存在,也无法沿着这些新的方向移动。但现在机器人与你已经缩得足够小,所以你们可以。

它们看起来是怎样的?

这个问题无法回答。它们有那么多!有那么多可能性来综合多余的维度以构成一根弦……有那么多方式来将多余的维度包裹弦自身,每一种不同的包裹都产生一种不同的现实……理论物理学家们甚至猜测到底有多少种可能,他们得到的数字是大约:100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000种不同的可能性。每种可能性都有对应于一种宇宙的可能,虽然那种宇宙未必会与我们的宇宙相似。

非常非常多的可能性。一个“1”后面跟着五百个零的数字。而你与我出生于其中的那一个宇宙或许只是这么多可能宇宙中的一个,或者是其中许多个中的一个。现在还没有人知道。甚至有可能所有这些可能的宇宙在某个阶段都的确存在,就在你不久前刚了解到的因永久暴胀而产生的那些泡泡宇宙之中。但在这么多可能的宇宙中,只有少数几个所遵循的自然规则与你所熟悉的我们宇宙的规则相同。你能够成为你自己,作为人类存在,这个宇宙必须选中一组特殊维度的组合,否则它的自然规则将无法允许我们存在。这种选择是如何发生的?依然没有人知道,只知道这种选择必然已经发生,否则你就不会存在此处,存在我们的宇宙之中。这种选择的论点被称为人择原理。它阐述的是在那些难以想象之多的可能存在的宇宙之中,我们只需要考虑与我们人类存在相容的那些,因为只有那些宇宙的存在才确保了我们人类的存在,让我们能够谈论这些宇宙,否则从人类的角度而言,一切都无从谈起。这是一个好主意。而且更好的是,并非所有的维度都必然微小,这些额外维度中的一个或几个可能很大。

“跟我来。”机器人说道,用它的粒子发射管示意你跟上,“我们或许永远都不会再看到这些。”

最最不可思议的事发生了。

从一开始,你就被告知自己无法从宇宙之外来看我们所在的宇宙。那种所谓对于宇宙边缘、边界之类的讨论没有意义。根据定义,宇宙就是一切存在,讨论从上面或下面观察宇宙是什么样子是完全没有意义的。但是现在,你的机器人将你带到了宇宙之外。现在看起来,它的边缘的确存在。但它们并不存在于你的感官通常能够感知的那些维度之中。

你已在宇宙之外。

你看见了一切。

你的整个宇宙。

从另一个维度上。你还看到了那些开放的弦,那些像鞋带似的弦,它们的振动产生了光,现在它们正以许多不同的方式振动着,振动的方式取决于被隐藏的维度所伸展的不同方向。你还看到这些开放的弦的一端都连在你的宇宙上,那个你刚刚离开的宇宙,而那些闭合的弦,那些环,以引力方式振动的弦,则能够自由出入你的宇宙,从宇宙中离开……

这时候你感觉到身后有些什么事情发生,你转过身去,倒吸一口气。

那里有着另外一个宇宙。

那个宇宙与你的,我们的,那个你刚离开的宇宙平行。你还看见那些环状的弦从一个宇宙移动到另一个宇宙,显然两者之间可以通过引力存在交流。这是第四种平行宇宙,四种类型里最令人印象深刻的一种。这种宇宙被称为“膜”,与薄膜相似但并不仅仅是薄薄的一层,也并不只是二维实体。

你所看到的就是这样一个膜,另一个宇宙,但或许还有很多。它们也可能有不同的维度。当研究它们的数学物理学家们改变这些宇宙之间的相互作用时,它们之间还能互相转换,就像弦本身一样变化。它们既可以是各自独立的实体,又能被看成同一现实的不同表现,就像是从不同视角看到的同一个现实。而所有这一切又可能是另一个更大现实的一个表象,虽然我们不知道这个“现实”表示的到底是什么意思。出色的阿根廷理论物理学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)和他领导下的一些科学家们甚至还显示所有这一切都能够不依靠引力而被解释,在他的理论里,每一个宇宙都能通过描述它在某处边界上的行为而得到表述……你在宇宙之外,真相正向你展现。

周围还有其他许多东西,到处都是,各自有着不同的维度。有些宇宙的维度非常微小,那里的弦们包裹着自身,蜷缩其间,这些弦的振动所产生的光与物质无法离开它们所在的膜,它们的宇宙,你的宇宙。它们的末端可以在你生活的维度中自由移动,但却无法离开。

从你所在的地方,你看着那些闭合的环状弦从一个膜移到另一个膜,你意识到一些能量或许能够离开你所在的宇宙。你甚至能够看到你觉得是黑洞的东西通过扭曲变形的时空管道将两个邻近的膜连在一起,两个宇宙的引力将它们互相吸引在一起,你突然怀疑,是不是有可能,在另外的膜中,有可能也有人类生活……黑洞会不会就是连接你们两个世界的通道?那个你尚未到达的奇点是不是通向另一个现实?我们的膜,我们的时空的诞生,是不是可能与在此之前存在的其他膜之间的碰撞有关?暗物质和暗能量的源头是不是也在这个场景之中?

你再次将目光转向你刚离开的宇宙,突然之间,感觉就像时间的流逝发生了变化,你看到了新的暴胀所产生的泡泡充满了你的那个宇宙,在你的那个膜中到处出现,在曾经是你的世界中扩散,就如同一滴油滴到了池塘的表面。

“我们应该回去了!”你大声叫道。

但只有你自己。

机器人早已消失不见。

你滑入离你最近的膜,希望它就是你刚才离开的那个。

你开始变大。

其他膜又变得无法看见了,那些或许构成了我们现实的弦们从远处消失。

夸克与胶子现在围绕在你身边,接下来是质子和电子,原子。分子。尘埃。沙粒。海洋。

你睁开眼睛。

自己依然躺在你那小岛的沙滩上。

那个你开始自己奇妙旅程的起点。

星星们还在头上闪烁。

温柔的海风给你送来阵阵奇异的花香。

你的朋友们围绕在你身边。

他们微笑着。

“他醒过来了!”有人说道,“给他倒杯酒!”

你坐了起来,疑惑不解。

酒送到你的手边。

你拧了自己一下,感觉到疼痛。

你喝了口酒。

你看着海洋、树木和星辰。

形状。

夜空中似乎出现了各种形状。一些人的脸。

牛顿、麦克斯韦尔、爱因斯坦、普朗克、薛定谔、狄拉克、费曼、霍金、霍夫特、温伯格、马尔达西那、威滕。

还有不计其数的其他人的脸。

他们都在微笑着,看着你。

你想与他们交谈,但他们却转过头去,注视着浩瀚宇宙。

然后他们突然消失,变成星辰。

然后星星们也消失了,海洋也随之不见。

你眨了眨眼。

你又回到家中,躺在自己的沙发上。

你的窗户正打开着。

你坐了起来,环顾四周。

你的咖啡还在那里,在桌上。

你再次拧了自己一下,依然感到疼痛。

你喝了口咖啡,想让自己清醒过来。

你的咖啡与你房间的温度已经达到了平衡。

你将口里的咖啡吐出。

“我……我很好。”你大声说着,但还是伸手抓过电话打给你的姨妈,只是想确认一下。

然后,你又眨了眨眼睛。