【霍金和他的果殼中的宇宙】
<P align=center><STRONG><FONT size=5>【<FONT color=red>霍金和他的果殼中的宇宙</FONT>】</FONT></STRONG></P><P> </P>
<P><STRONG>作者: 孫玨岷 </STRONG></P>
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<P><STRONG><SPAN class=t_tag href="tag.php?name=200">200</SPAN>2年8月15日11時30分，在美麗的西子湖畔，當代科學巨匠——霍金教授用他僅能活動的手指將<SPAN class=t_tag href="tag.php?name=300">300</SPAN>0多名听眾引進了“果殼中的宇宙”。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>“果殼中的宇宙”典出莎士比亞的《哈姆雷特》。</STRONG></P>
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<P><STRONG>哈姆雷特在劇中吟唱道︰即便把他關在果殼中，他仍然是無限空間之王。</STRONG></P>
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<P><STRONG>藝術和科學是息息相通的，莎翁和霍金本就是他們各自領域中的無限空間之王。</STRONG></P>
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<P><STRONG>宇宙學家霍金認為，整個宇宙是由一個高維果殼狀的泡泡演化而來的，果殼上的皺紋（即量子擾動）在演化中產生了今天宇宙的所有結構。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>30多年來，世界上一批天才的頭腦創建了一門叫做“弦論”的學科，其最新版本叫做M理論。</STRONG></P>
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<P><STRONG>弦論能解釋所有已知的自然力（強力、弱力、電磁力和引力），所以它又被稱為萬物理論。</STRONG></P>
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<P><STRONG>弦是一種高維空間（霍金認為維數應是10維或11維）中的1維客體，弦的概念可以進一步推廣到p胚，後者是高維空間的p維客體。</STRONG></P>
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<P><STRONG>霍金認為，時空就是一張推廣了的“膜”，不過這張膜不是2維的，而是4維的。</STRONG></P>
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<P><STRONG>物理學家為此創造了一個新詞brane，盡管這個詞已被使用了十多年，目前似乎尚未被牛津詞典收入，在我國的一些學術文章中將它譯為“胚”。</STRONG></P>
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<P><STRONG>當p等于零時，胚就是點粒子；當p等于1時，胚就是弦；當p等于2時，胚就是膜（menbrane）；而在一般情況下，就稱為胚，即高維的“膜”。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>人們常說，弦論是一門21世紀的數學，卻不幸地早產于20世紀 。</STRONG></P>
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<P><STRONG>所以，雖然人們已經討論了弦論的許多性質，更知道它是一個真正了不起的理論，但要把弦論講清楚實在不容易。</STRONG></P>
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<P><STRONG>弦論的基本假設是︰不存在粒子，而只有弦在空間中運動。</STRONG></P>
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<P><STRONG>一條弦就是一個畫在空間中的圈。</STRONG></P>
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<P><STRONG>弦論假設只存在一種弦，而各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。</STRONG></P>
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<P><STRONG>當一條弦隨時間運動時，它的軌跡不是一條線而是一根管子。兩條弦還可以結合形成一條新弦，一條弦也可以分裂成兩條。</STRONG></P>
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<P><STRONG>自然界中的一切相互作用，包括電子和光子的相互作用，都可以用弦的分裂和結合來解釋。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>在研究的過程中，存在著五個不同種類的自洽弦理論，這與弦論追求一種單一理論的初衷相左。</STRONG></P>
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<P><STRONG>經過數年努力，物理學家終于找到解決問題的鑰匙。</STRONG></P>
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<P><STRONG>盡管目前這一理論還未得到一個大家一致贊同的形式，但至少已為它起了一個名字︰M理論。</STRONG></P>
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<P><STRONG>在M理論中，空間和時間以普朗克尺度為基本單位。</STRONG></P>
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<P><STRONG>普朗克尺度可以根據已知的基本原理來建立，普朗克長度為10－33厘米，普朗克時間為10－43秒。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>在M理論中，時空是10維或者是11維的，為什麼日常生活中所見的時空是4維的呢？</STRONG></P>
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<P><STRONG>霍金認為，存在著兩種可能的解釋︰</STRONG></P>
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<P><STRONG>一可能是所有額外維的尺度非常小，甚至如普朗克尺度那樣小，實在難以觀察到；</STRONG></P>
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<P><STRONG>二可能是額外維的尺度相當大，甚至可達無窮大，只是在目前的觀察條件下尚未觀測到。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>霍金認為，“大的額外維是新理論探索中的激動人心的進展，它蘊涵著我們生活在一個胚世界中，一個在高維時空中的4維‘面’或‘膜’”中。</STRONG></P>
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<P><STRONG>強力、弱力和電磁力將被限制在這個胚中，所以任何與引力不相關的物理問題就會和在4維時空中的一樣。</STRONG></P>
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<P><STRONG>比如，支配構成人體的物理定律是描寫電磁力的量子電動力學，所以胚世界的存在，並不會影響到人體的構造。</STRONG></P>
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<P><STRONG>與此相反，引力則會彌散到整個高維空間中去。</STRONG></P>
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<P><STRONG>也就是說，引力隨距離的減少可能比以往的估計更快。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>如果引力的這種更快速減小可延伸至天文距離，就應該在行星軌道上覺察到這一效應。</STRONG></P>
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<P><STRONG>這樣，行星軌道會是不穩定的︰</STRONG></P>
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<P><STRONG>行星要麼掉到太陽中去，要麼逃逸到寒冷黑暗的星際空間中去。</STRONG></P>
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<P><STRONG>然而，若該額外維在離人類生活其上的胚不遠的另一胚處終結的話，這種效應就不會發生。</STRONG></P>
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<P><STRONG>那麼，對于超過兩個胚相分離的距離，引力就會如上述像電磁力那樣，不能自由地發散開去，而被有效地局限在胚上，並且減小的速率剛好適合于行星軌道。</STRONG></P>
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<P><STRONG>在實驗室中精確地測量物體之間萬有引力是一件十分艱難的工作，實驗尚未探測出當胚的分離小于幾毫米時它的效應。</STRONG></P>
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<P><STRONG>盡管理論家預言，在距離短于胚之間的分離距離時，引力會下降得更快速。</STRONG></P>
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<P><STRONG>但是實驗研究者迄今缺少有效的手段進行測量，一旦在更短距離下的測量成功，就能鑒別人類所在的胚世界究竟是這樣的，還是那樣的。 </STRONG><STRONG> </STRONG></P>
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<P><STRONG>為了解釋恆星繞著銀心轉動的速度，就必須假設存在著暗物質。</STRONG></P>
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<P><STRONG>恆星繞銀心作緩慢的轉動，大約2億多年轉動一周。</STRONG></P>
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<P><STRONG>銀河系的形狀像一個盤子，銀心附近聚集著大量的恆星，銀盤里包含了更多的氣體、塵埃以及一些恆星。</STRONG></P>
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<P><STRONG>如果套用開普勒定律，銀盤外部的恆星的運動速度應當比靠近銀心的轉得慢，但是觀測結果並非如此，整個銀盤內恆星的運動速度大致相同。</STRONG></P>
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<P><STRONG>所以，天文學家認為銀河系中存在大量暗物質，它們中的大部分分布在銀盤的外圍，從而加快了這部分區域內恆星的運動速度。</STRONG></P>
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<P><STRONG>對星系團內全部星系運動狀況的研究也得出相同結論。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>對宇宙更大尺度結構的仔細研究也表明可能存在著暗物質。</STRONG></P>
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<P><STRONG>這種結構是以星系團和超星系團集結在一起的方式出現的。</STRONG></P>
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<P><STRONG>進一步考慮到宇宙年齡在1秒到3分鐘之間的核反應及其宇宙輕元素的豐度，暗物質必須以不參與核反應的形式存在。</STRONG></P>
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<P><STRONG>這就意味著暗物質應以中微子或類似于中微子（軸子、有質量弱相互作用粒子等）的形式出現，它們不帶電荷因而不受電磁力、強力的影響。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>霍金認為，在4維“膜”世界中，人類生活在一個胚中，鄰近還有另一個“影子”胚。</STRONG></P>
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<P><STRONG>因為光被限制在胚中，不能傳播到另一個胚，所以人類不能看到影子世界。</STRONG></P>
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<P><STRONG>但是人類會感覺到影子胚中的物質的引力影響。</STRONG></P>
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<P><STRONG>這種引力在人類所在的胚世界中會顯示成一種“暗”源。檢測“影子”胚的僅有辦法是通過引力的途徑。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>霍金說，弦、膜和胚“與宇宙中任何其他東西一樣，都會有量子起伏。”</STRONG></P>
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<P><STRONG>這些量子起伏就使得胚這樣一類客體會自發地創生和消失。</STRONG></P>
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<P><STRONG>這個過程很有一點像沸騰的水中蒸汽泡形成的過程。</STRONG></P>
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<P><STRONG>量子力學中的海森伯不確定性原理導致了胚從泡泡中創生。</STRONG></P>
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<P><STRONG>如果這個4維泡泡繼續長大，那麼生活在這個泡泡上的人就會感到宇宙正在膨脹。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>按照霍金的無邊界設想，胚世界的自發創生有一段虛時間的歷史。</STRONG></P>
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<P><STRONG>在這段歷史中，宇宙像一個果殼︰</STRONG></P>
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<P><STRONG>一個4維球面（不妨想像成是一個多了兩維的核桃殼 ）。</STRONG></P>
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<P><STRONG>只是果殼是空的，在這胚世界圖像中的4維果殼是滿的︰</STRONG></P>
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<P><STRONG>人類生活其中的胚在虛時間中的歷史是一個4維球，它是一個5維泡泡的邊界，而余下的5維或6維是卷曲的，並且卷得非常小。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>依照霍金的理論，胚在虛時間的歷史將決定它在實時間的發展。</STRONG></P>
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<P><STRONG>高維泡泡在虛時間中產生一個完全光滑的球形的4維“果殼”的概率是最高的；</STRONG></P>
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<P><STRONG>然而，這又對應于在實時間內以暴脹方式永遠膨脹的胚。</STRONG></P>
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<P><STRONG>星系不能在這種胚世界中形成，從而智慧生命也不會出現。</STRONG></P>
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<P><STRONG>然而，高維泡泡在虛時間中產生一個有點不光滑和偏離球形的4維“果殼”的概率雖然稍低一些，但是卻能與實時間中的減速暴脹過程（胚在開始時有一個加速膨脹——暴脹的相，隨後膨脹又緩慢下來）相對應。</STRONG></P>
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<P><STRONG>在這個減速暴脹過程中，星系可能形成，智慧生命也會出現。</STRONG></P>
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<P><STRONG>有趣的是，這些智慧生命將會創造一種宇宙理論，認識到他們來自于不那麼光滑，也不那麼圓的4維“膜”。 </STRONG><BR><STRONG> </STRONG></P>
<P><STRONG>隨著霍金那根神奇的手指，游歷了神奇的果殼中的宇宙之後，會有什麼感想？</STRONG></P>
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<P><STRONG>果真每個人都是來自于神奇果殼中的生靈?! </STRONG></P>
<P><BR><STRONG> （本文作者為上海師範大學天體物理聯合中心主任助理） </STRONG></P>
<P><BR><STRONG> 霍金.果殼中的宇宙.長沙︰湖南科學技術出版社，2002 </STRONG></P>
<P><BR><STRONG> 李新洲.科學，1998，50(6)︰18 </STRONG></P>
<P><BR><STRONG> 李新洲.科學，1986，38(5)︰162 </STRONG></P>
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<P><STRONG>引用：</STRONG><A href="http://www.skylook.org/info/info-tw/info_768.html"><FONT color=#0000ff><STRONG><SPAN class=t_tag href="tag.php?name=http">http</SPAN>://www.skylook.org/info/info-tw/info_768.html</STRONG></FONT></A></P>
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