最初宇宙是個(gè)雞蛋。雞蛋里面是混沌 ,漂浮在混沌上的是盤古 ,神的胚胎。

———盤古神話 (中國 ,3世紀(jì) )

如果上帝創(chuàng)造了世界 ,他在創(chuàng)世之前在哪里 ? ……世界是自存的 ,就像時(shí)間本身 ,無始無終。

———《摩訶往世書》(印度 ,9世紀(jì) )

“上帝有媽媽嗎 ?”

孩子們被告知天地是上帝創(chuàng)造時(shí) ,他們會(huì)天真地問上帝是否有一個(gè)母親。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題難倒了教會(huì)的長老 ,它使最優(yōu)秀的神學(xué)家也感到尷尬。這個(gè)問題引發(fā)了多個(gè)世紀(jì)以來最棘手的神學(xué)辯論。世界上幾乎所有偉大的宗教都圍繞創(chuàng)世活動(dòng)留下了諸多神話 ,但它們都沒有恰當(dāng)?shù)卣暫⒆觽兯鶈枂栴}中固有的邏輯悖論。

上帝可以用 7天時(shí)間創(chuàng)造天地 ,但在第 1天之前發(fā)生了什么 ?如果承認(rèn)上帝有一個(gè)母親 ,那么 ,上帝母親的母親又是誰 ?這個(gè)問題會(huì)一直循環(huán)下去。然而 ,如果上帝沒有母親 ,這個(gè)答案會(huì)引出更多的問題 :上帝來自哪里 ?上帝是永生不朽 ,還是超越了時(shí)間本身 ?

幾百年來 ,甚至由教會(huì)任命的大畫家在他們的藝術(shù)品中也在設(shè)法解決這些棘手的神學(xué)爭(zhēng)論。當(dāng)描繪上帝、亞當(dāng)、夏娃時(shí) ,你畫他們的肚臍嗎 ?因?yàn)槎悄殬?biāo)志著臍帶的連接點(diǎn) ,所以上帝、亞當(dāng)、夏娃都不能畫肚臍。例如,米開朗基羅在為西斯廷教堂的天花板作畫 (著名的創(chuàng)世和亞當(dāng)、夏娃 從伊甸園被驅(qū)逐出來的畫中 )時(shí),就面臨過這種困境。這個(gè)神學(xué)問題的答案懸掛在諸多西方大博物館中 :上帝、亞當(dāng)、夏娃沒有肚臍 ,因?yàn)樗麄兪侨f物之先。

上帝存在的證據(jù)

圣·托馬斯 ·阿奎那在 13世紀(jì)進(jìn)行寫作時(shí) ,為教會(huì)意識(shí)形態(tài)中的自相矛盾深受困擾。他決定從神話的模糊性到邏輯的嚴(yán)密性提出一個(gè)神學(xué)辯論的準(zhǔn)則。在他著名的《上帝存在的證明》一書中 ,他打算解決這些古老的問題。

阿奎那在下面的詩中總結(jié)了他的證據(jù) :

萬物在動(dòng) ,故有先行者。

萬物皆由原因引起 ,故有第一個(gè)原因。

萬物存在 ,故有創(chuàng)造者。

完美的善存在 ,故有根源。

萬物皆被設(shè)計(jì) ,故有目的。

(前3行是宇宙論證明的變種 ,第4行是道德論基礎(chǔ) ,第5行是目的論證明。道德證明是最薄弱的 ,因?yàn)榈赖驴梢杂醚葑兊纳鐣?huì)習(xí)俗來看待。)阿奎那對(duì)上帝存在的 “宇宙論 ”與 “目的論 ”的證據(jù)的列舉 ,已被教會(huì)用于回答這個(gè)棘手的神學(xué)問題長達(dá) 700年時(shí)間。盡管歷經(jīng) 700年所取得的科學(xué)發(fā)現(xiàn)已證明了這些證據(jù)存在缺陷 ,但在他們的時(shí)代這些證據(jù)卻相當(dāng)巧妙。它們顯示了希臘人對(duì)世界產(chǎn)生的影響 ,希臘人是地球上第一個(gè)將嚴(yán)謹(jǐn)引入到對(duì)自然作出推測(cè)的人。

阿奎那假設(shè)上帝是第一推動(dòng)者和第一制造者 ,開始了自己的宇宙論證明。他巧妙地聲稱 “誰創(chuàng)造了上帝 ”這個(gè)問題沒有意義 ,從而精明地避開了這個(gè)問題。上帝沒有制造者 ,因?yàn)樗堑谝恢圃煺?。宇宙論證明 :所有運(yùn)動(dòng)的物體一定承受了一個(gè)推動(dòng)力 ,推動(dòng)力的存在意味著一定存在推動(dòng)者。但是 ,誰是第一推動(dòng)者呢 ?

想象一下 ,此刻你懶洋洋地坐在公園里看見一輛小車在你面前移動(dòng)。 很明顯 ,你會(huì)主觀認(rèn)為這輛小車一定被一個(gè)小孩推動(dòng)。片刻后 ,你發(fā)現(xiàn)推動(dòng)第一輛小車的是另一輛小車。奇怪的是 ,你一直等待的小孩并未出現(xiàn) ,你等到的結(jié)果是 ,推動(dòng)著前面兩輛小車的是第三輛小車。隨著時(shí)間的推移,你見證了數(shù)以百計(jì)的小車 ,它們都是靠著其他車輛推動(dòng)。你大惑不解地望向遠(yuǎn)處 ,驚訝地發(fā)現(xiàn)一列無限長的小車延伸在地平線上 ,一輛推著一輛,根本沒有孩子。那么 ,在沒有第一推動(dòng)者的前提下 ,一個(gè)無限系列的小車能被推走嗎 ?一個(gè)無限系列的小車能自我推動(dòng)嗎 ?“不”,所以上帝必須存在。

目的論的證明更具說服力。它指出必須存在第一制造者。想象一下 ,我們行走在火山的沙地之上 ,在那里 ,風(fēng)和沙塵暴侵蝕著山川和巨大的火山口。幾千萬年來 ,沒有任何東西能逃過沙塵暴的腐蝕性和磨損作用。此外,讓你吃驚的是 ,你在沙丘上發(fā)現(xiàn)一個(gè)漂亮的相機(jī)。相機(jī)鏡頭是平滑拋光的 ,快門裝置非常靈敏。你一定會(huì)認(rèn)為 ,火星的沙子不可能創(chuàng)造出如此美麗的手工藝品。你斷定有個(gè)很聰明的人制造了這臺(tái)相機(jī)。最終 ,你在火星表面游蕩一陣后 ,遇到了一只兔子。顯然 ,兔子的眼睛的結(jié)構(gòu)比相機(jī)的鏡頭復(fù)雜得多。兔子的肌肉比相機(jī)的快門復(fù)雜得多。因此 ,這只兔子的制造者必須比照相機(jī)的制造者更為先進(jìn)。因此 ,第一制造者必須是上帝。

我們?cè)傧胂笠幌碌厍蛏系臋C(jī)器。毫無疑問 ,這些機(jī)器是由人類制造的。與機(jī)器相比 ,人類復(fù)雜得多。以此類推 ,創(chuàng)造我們的人一定比我們復(fù)雜得多。因此 ,上帝必然存在。

1078年,坎特伯雷大主教圣安瑟倫編造了也許是最完美的有關(guān)上帝存在的證據(jù) ———本體論的證據(jù)。這個(gè)證據(jù)并不依賴于第一推動(dòng)者或第一制造者。圣安瑟倫聲稱 ,他能從純邏輯的觀點(diǎn)證明上帝的存在。他把上帝定義為最完美的、最強(qiáng)大的 ,且可以想象的強(qiáng)有力的生物。我們?cè)O(shè)想兩種類型的上帝。我們假設(shè)第一個(gè)上帝不存在 ,第二個(gè)上帝確實(shí)存在。第二個(gè)上帝能創(chuàng)造奇跡 ,如分離河流和復(fù)活死者。顯然 ,第二個(gè)上帝 (存在 )比第一個(gè)上帝 (不存在 )更完美、更強(qiáng)大。

然而 ,我們定義上帝是最完美的、最強(qiáng)大的 ,且可以想象的強(qiáng)有力的生物。根據(jù)上帝的定義 ,第二個(gè)上帝 (存在 )更完美、更強(qiáng)大。因此 ,第二個(gè)上帝符合上帝的定義。第一個(gè)上帝 (不存在 )弱于第二個(gè)上帝 ,不符合上帝的定義。因此 ,上帝必然存在。換句話說 ,如果我們把上帝定義為 “至高無上 ”,那么 ,上帝必定存在。因?yàn)槿绻淮嬖?,我們就能想象出 存在更偉大的上帝。與托馬斯·阿奎那不同的是,這種證明相當(dāng)巧妙。它與創(chuàng)世論無關(guān),它只依賴于完美存在的定義。

值得注意的是,這些上帝存在的 “證明”延續(xù)了 700多年,藐視科學(xué)家和邏輯學(xué)家的反復(fù)挑戰(zhàn)。其原因在于,當(dāng)時(shí)的人們對(duì)物理學(xué)和生物學(xué)的基本定律認(rèn)識(shí)不足。事實(shí)上,在過去的 100年,人們逐漸發(fā)現(xiàn)了新的自然法則,可以找出這些證據(jù)中潛在的漏洞和缺陷。

例如,宇宙論證明中的缺陷是:質(zhì)量和能量守恒即可解釋物體運(yùn)動(dòng),而并不需要借助第一推動(dòng)者。例如,氣體分子無需任何人或任何物,就能自我運(yùn)動(dòng)并與容器壁發(fā)生彈回碰撞。原則上,這些分子處于永動(dòng)狀態(tài),無始無終。因此,只要質(zhì)量和能量守恒,運(yùn)動(dòng)根本不需要推動(dòng)者。

目的論證明中的缺陷是:進(jìn)化論告訴我們,一個(gè)物種可以從更原始的物種那里通過自然選擇和機(jī)遇進(jìn)化為更高級(jí)、更復(fù)雜的生命形式。最終,我們可以將生命的起源追溯到早期地球海洋中自發(fā)形成的蛋白質(zhì)分子,而無需訴諸更高的智能。斯坦利 ·米勒 (StanleyL.Miler)在 1955年進(jìn)行的研究表明:在包含組成早期地球大氣的甲烷、氨和其他氣體的容器中進(jìn)行火花放電實(shí)驗(yàn),可以自發(fā)生成復(fù)雜的碳?xì)浠衔锓肿?并能最終形成氨基酸 (蛋白質(zhì)分子的母體)和其他復(fù)雜的有機(jī)分子。因此,第一制造者并非創(chuàng)造生命的必要條件。事實(shí)上,只要時(shí)間充足,生命可以從無機(jī)化學(xué)物質(zhì)中自然地演變出來。

最后,伊曼紐爾 ·康德 (ImmanuelKant)在經(jīng)過了幾個(gè)世紀(jì)的混亂后第一個(gè)指出了本體論證明中的錯(cuò)誤?？档轮赋?“一個(gè)物體存在并不能使它更完美”。例如,我們用它來證明獨(dú)角獸的存在。如果我們將獨(dú)角獸定義為可以想象的最完美的馬,如果獨(dú)角獸不存在,就可以想象一個(gè)獨(dú)角獸是存在的。但 “存在著的獨(dú)角獸”并不比 “不存在的獨(dú)角獸”更完美。因此,獨(dú)角獸不一定必然存在,上帝也不一定必然存在。

自圣·托馬斯·阿奎那和圣安瑟倫的時(shí)代以來,我們?nèi)〉昧诉M(jìn)步嗎?

答案既是肯定的也是否定的,我們可以說,現(xiàn)在的創(chuàng)世理論均基于兩個(gè)支柱:量子理論和愛因斯坦的引力理論。1000多年里我們第一次可以說,“上帝存在的宗教證明”正被 “我們對(duì)熱動(dòng)力學(xué)和粒子物理學(xué)的理解”所取代。然而,我們用 “大爆炸”觀點(diǎn)取代 “上帝創(chuàng)世”觀點(diǎn),實(shí)際上是用一個(gè) “更難的問題”取代了一個(gè) “較難的問題”。 “上帝創(chuàng)世”觀點(diǎn)持有者阿奎那認(rèn)為,他把上帝定義為第一推動(dòng)者,即解決了上帝之前有什么的 問題?！按蟊?”觀點(diǎn)持有者的我們 ,直至今日也不明白大爆炸之前發(fā)生了什么。

不幸的是 ,愛因斯坦方程不適用于 “極小距離 ”和 “極大能量 ”條件下的演算。當(dāng)距離小到 10-33厘米時(shí) ,量子效應(yīng)取代了愛因斯坦的理論。因此 ,要解決 “時(shí)間始于何時(shí) ?”這個(gè)哲學(xué)問題 ,就必須引入十維理論。

這本書中 ,我們強(qiáng)調(diào)了物理定律在增加更高維度時(shí)將得到統(tǒng)一的事實(shí)。當(dāng)研究大爆炸時(shí) ,我們看到了這一表述的逆過程。大爆炸可能起源于原始十維宇宙裂解成四維宇宙和六維宇宙的過程。于是 ,我們可以把宇宙大爆炸的歷史看作十維空間分裂的歷史 ,即上述統(tǒng)一對(duì)稱性解體的歷史。這也是本書以逆時(shí)針方向進(jìn)行研究的主題。

因此 ,將大爆炸動(dòng)力學(xué)拼湊起來顯得如此艱難就不足為奇了。實(shí)際上,通過逆時(shí)間回溯 ,我們正在重組十維宇宙的碎片。

宇宙大爆炸的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

每年 ,我們都能找到大爆炸發(fā)生在大約 150億—200億年前的許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)。讓我們先回顧一下這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第一 ,恒星正以驚人的速度離我們而去 ,這一事實(shí)通過測(cè)量它們的星光畸變 (稱為紅移 )已反復(fù)得到證實(shí)。(遠(yuǎn)離我們的恒星的星光移到更長的波長上 ,即向光譜的紅色末端移動(dòng)。這個(gè)道理等同于列車向我們駛來 ,距離我們較遠(yuǎn)處傳來的汽笛聲較低 ,距離我們較近處傳來的汽笛聲較高。

這就是所謂的多普勒效應(yīng)。此外 ,哈勃定律也指出 ,恒星或星系距離我們?cè)竭h(yuǎn) ,它遠(yuǎn)離我們的速度就越快。這一事實(shí)在 1929年由天文學(xué)家埃德溫·哈勃首次公布 ,且在過去的 50年里得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。)我們從未見過遙遠(yuǎn)星系的藍(lán)移 ,因?yàn)樗{(lán)移意味著一個(gè)坍縮的宇宙。

第二 ,我們知道銀河系中 ,化學(xué)元素的分布與大爆炸和恒星中形成重元素的預(yù)言幾乎完全吻合。在最初的大爆炸中 ,由于熱量巨大 ,氫的原子核以足夠大的速度互相撞擊聚合形成了一個(gè)新的元素 :氦。宇宙大爆炸理論預(yù)言 ,宇宙中氦與氫的比例為 25%∶75%。這與宇宙中氦的豐度的觀測(cè)結(jié)果相符。

第三 ,宇宙中最早的物體可以追溯到 100億—150億年前 ,這與宇宙 大爆炸的粗略估計(jì)是相吻合的。我們看不到比大爆炸更古老的物體的任何證據(jù)。因?yàn)榉派湫晕镔|(zhì)以精確的已知速率衰變 (例如 ,借助于弱相互作用),所以通過計(jì)算某些放射性物質(zhì)的豐度可以推算物體的年齡。例如 ,我們知道放射性物質(zhì)碳 -14的半衰期為 5730年,我們故能確定含碳的考古文物的年齡。我們還可以通過其他放射性元素 (如鈾 -238,半衰期為 40億年 )確定月球巖石的年齡 (從 “阿波羅 ”飛船得到)。在地球上發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石和流星大約有 40億—50億年。這也是太陽系的大致年齡。通過對(duì)某些已知恒星質(zhì)量的計(jì)算 ,我們能證明銀河系中最古老的恒星的年齡可以追溯到 100億年前。

第四 ,也是最重要的 ,大爆炸產(chǎn)生的宇宙 “回聲 ”回蕩在整個(gè)宇宙中,我們可以用儀器進(jìn)行探測(cè)。事實(shí)上 ,貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿爾諾 ·彭齊亞斯 (ArnoPenzias)和羅伯特 ·威爾遜由于探測(cè)到大爆炸的 “回聲 ”(即一種貫穿宇宙的微波輻射 ),而獲得了 1978年的諾貝爾獎(jiǎng)。大爆炸的回聲在大爆炸之后的幾十億年里一直在宇宙中回響。這一事實(shí)被喬治 ·伽莫夫和他的學(xué)生拉爾夫 ·阿爾弗 (Ralph Alpher)、羅伯特 ·赫爾曼 (Robert Herman)首次預(yù)言 ,但并未引起人們的重視。他們首次提出這個(gè)想法 ,正值第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后不久 ,測(cè)量創(chuàng)世回聲這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是非常古怪的。

然而 ,他們的邏輯十分令人信服。任何物體受熱后都會(huì)發(fā)出輻射。這就是為什么將鐵放在爐子里 ,鐵會(huì)變紅的原因。鐵越熱 ,它發(fā)出的輻射頻率就越高。一個(gè)精確的數(shù)學(xué)公式 ,斯特藩 -玻耳茲曼定律 (Stefan-Boltzmann),將光的頻率 (或在這種情況下光的顏色 )與溫度關(guān)聯(lián)起來。 (事實(shí)上 ,這就是科學(xué)家如何通過觀察顏色來確定遙遠(yuǎn)恒星的表面溫度的辦法。)我們稱這種輻射稱為黑體輻射。

當(dāng)鐵冷卻時(shí) ,發(fā)出的輻射頻率也會(huì)降低 ,直到鐵在可見光范圍內(nèi)不再發(fā)出輻射。鐵回到了正常的顏色 ,但它依然會(huì)繼續(xù)發(fā)出不可見的紅外線輻射。這就是軍用夜視鏡在黑夜工作的原理。在夜間 ,相對(duì)較暖的物體 ,如敵軍的士兵和坦克的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)隱藏在黑暗中不易于被人們發(fā)現(xiàn) ,但它們會(huì)繼續(xù)以紅外線輻射的形式發(fā)射不可見的黑體輻射。這種輻射可以被專門的紅外鏡探測(cè)到。這也是為什么你的密閉汽車車內(nèi)在夏天會(huì)變熱的原因。陽光穿透你汽車的玻璃 ,使室內(nèi)變暖。隨著車體的變熱 ,它開始以紅外線輻射的形式發(fā)射黑體輻射。然而 ,紅外線輻射不能有效地穿透玻璃 ,故而被 困在車內(nèi),極大地提高了車內(nèi)的溫度。(同理,黑體輻射引起了溫室效應(yīng)。像玻璃一樣,礦物燃料燃燒引起大氣中二氧化碳含量的上升,會(huì)使地球的紅外黑體輻射難以散發(fā),從而逐漸使地球變暖。)伽莫夫推斷,宇宙大爆炸之初熱量極大,因此是理想的黑體輻射源。雖然20世紀(jì)40年代的技術(shù)太落后,無法探測(cè)這個(gè)來自創(chuàng)世的微弱信號(hào)。但伽莫夫可以計(jì)算出這種輻射的溫度,并大膽地預(yù)言,總有一天我們的儀器會(huì)靈敏到足以探測(cè)到這種 “化石”輻射。他的思維邏輯是:“大爆炸之后約30萬年,宇宙冷卻到原子開始凝成的溫度。電子開始繞質(zhì)子循環(huán)運(yùn)動(dòng)形成穩(wěn)定的原子,原子將不再被滲透在宇宙中的強(qiáng)烈的輻射所破壞。在此之前,宇宙非常熱,原子一經(jīng)形成就被輻射打破?！边@意味著宇宙大爆炸之初是不透明的,像一團(tuán)厚厚的、吸收力強(qiáng)的、無法穿透的霧。然而,30萬年后,輻射不再足夠強(qiáng)大,無法分解原子,因此光可以遠(yuǎn)距離傳播而不被散射。換句話說,宇宙在30萬年后突然變得黑暗和透明。(我們已經(jīng)習(xí)慣于聽到 “外層空間的黑暗”,以至于我們?nèi)菀缀雎栽缙诘挠钪娌⒎峭该鞯?而是充滿了不穩(wěn)定的、不透明的輻射。)30萬年后,電磁輻射不再與物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用,從而成為黑體輻射。漸漸地,隨著宇宙的冷卻,這種輻射的頻率降低了。伽莫夫和他的學(xué)生計(jì)算出該輻射將遠(yuǎn)低于紅外線范圍而進(jìn)入微波區(qū)。伽莫夫推理,通過掃描天空以獲得均勻的、各向同性的微波輻射源,人們將可以探測(cè)到這種微波輻射并發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸的回聲。

伽莫夫的預(yù)言被人們遺忘了好幾十年,直到1965年人們意外發(fā)現(xiàn)了微波背景輻射。彭齊亞斯和威爾遜在新澤西州霍姆德爾打開他們的新喇叭形反射器天線時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種貫穿所有空間的神秘的背景輻射。他們起初認(rèn)為這種不必要的輻射是由于靜電污染引起的 (例如天線上的鳥糞)。但當(dāng)他們拆開并清理完大部分天線時(shí),他們發(fā)現(xiàn) “靜電污染”仍然存在。與此同時(shí),普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家羅伯特 ·迪克 (RobertDicke)和詹姆斯·皮伯斯 (s)重新想起了伽莫夫的古老計(jì)算。當(dāng)彭齊亞斯和JamesPe

ble威爾遜得知普林斯頓物理學(xué)家的工作時(shí),明顯地,他們的研究結(jié)果存在著直接的關(guān)系。當(dāng)他們意識(shí)到背景輻射可能是原始宇宙大爆炸的回聲時(shí),他們說:“要么,我們看到了一堆鳥屎;要么,我們看到了宇宙的創(chuàng)世!”他們發(fā)現(xiàn),這種均勻的背景輻射幾乎就是多年前由喬治 ·伽莫夫和他的合作者預(yù)言的東西,這是宇宙大爆炸留下的殘余層輻射冷卻到 3開 (開爾文) 的結(jié)果。

宇宙背景探測(cè)和大爆炸

也許宇宙大爆炸理論的最壯觀的科學(xué)論據(jù)來自 1992年 “宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星 ” (COBE)探測(cè)的結(jié)果。1992年 4月 23日,全美國報(bào)紙的頭條新聞均被加州大學(xué)伯克利分校喬治 ·斯穆特 (GeorgeSmoot)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果占據(jù)。他宣布了最具戲劇性的 ,也最令人信服的大爆炸理論的論據(jù)。一群既無物理學(xué)背景也無神學(xué)背景的記者和專欄作家們 ,在他們的新聞報(bào)道中突然增加了關(guān)于 “上帝的面目 ”的雄辯。

宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星能夠?qū)⑴睚R亞斯、威爾遜、皮布爾斯和迪克的早期工作提高許多個(gè)數(shù)量級(jí) ,足以排除所有的宇宙學(xué)疑問 ———大爆炸發(fā)出的化石輻射被最終發(fā)現(xiàn)。普林斯頓宇宙學(xué)家耶利米 ·P.奧斯提克 (Jeremiah P.Ostriker)宣稱 ,“當(dāng)人們?cè)趲r石中發(fā)現(xiàn)化石 ,它使物種起源變得清晰。好啊 ,宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星也發(fā)現(xiàn)了屬于它的化石 ”。1989年底發(fā)射的宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星是專為分析由喬治 ·伽莫夫及其他的同事首次提出的微波背景輻射結(jié)構(gòu)中的微觀細(xì)節(jié)而計(jì)劃的。宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星的使命也有了一個(gè)新的任務(wù) :澄清背景輻射引起的早期困惑。

彭齊亞斯和威爾遜的原始工作是粗糙的 ,他們只能證明背景輻射平滑到10%。當(dāng)科學(xué)家們分析了背景輻射的更多細(xì)節(jié)后 ,他們發(fā)現(xiàn)背景輻射非常光滑 ,沒有明顯的波紋、扭結(jié)及斑點(diǎn)。事實(shí)上 ,它太平滑了。背景輻射就像一團(tuán)光滑的看不見的霧彌漫在宇宙中 ,它是如此均勻 ,以至科學(xué)家們很難將它與已知的天文數(shù)據(jù)相協(xié)調(diào)。

20世紀(jì) 70年代 ,天文學(xué)家們轉(zhuǎn)動(dòng)他們的巨大的望遠(yuǎn)鏡 ,系統(tǒng)地繪制了大片天空中的星系集合。令他們吃驚的是 ,他們發(fā)現(xiàn)宇宙在大爆炸 10億年后就逐漸呈現(xiàn)出一種聚集成星系 ,甚至更大的星系團(tuán) ,以及被稱為巨洞的巨大又空虛的空間的模樣。星系團(tuán)是巨大的 ,星系團(tuán)可以包含數(shù)十億個(gè)星系 ;巨洞延伸的尺度則以數(shù)百萬光年計(jì)。

但這里有一個(gè)宇宙之謎 :如果大爆炸是光滑且均勻的 ,那么 ,10億年時(shí)間對(duì)于形成我們現(xiàn)在看到的星系團(tuán)中的物質(zhì)聚集是完全不夠的。原始的光滑的大爆炸和 10億年后的宇宙團(tuán)塊之間的總體是不匹配的。這個(gè)難題折 磨著每一位宇宙學(xué)家。大爆炸理論本身是得到肯定的 ,問題出在我們對(duì)創(chuàng)世之后 10億年的 “后大爆炸 ”演化的認(rèn)識(shí)。由于人們?nèi)狈梢詼y(cè)量宇宙背景輻射的敏感的衛(wèi)星 ,這一難題困擾了人們?cè)S多年。事實(shí)上 ,到了 1990年,缺乏嚴(yán)格科學(xué)背景的記者開始編寫一些聳人聽聞的文章 ,錯(cuò)誤地宣稱科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了大爆炸理論本身的致命漏洞。許多記者寫道 ,大爆炸理論即將被推翻。長期以來聲名狼藉的大爆炸理論的替代品開始在媒體面前露面。就連《紐約時(shí)報(bào)》也發(fā)表了一篇重要文章 ,稱大爆炸理論陷入了嚴(yán)重的困境 (這在科學(xué)上是不正確的)。

這場(chǎng)圍繞大爆炸理論的偽爭(zhēng)議使宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的公布變得更加有趣。宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星能用前所未有的精度 (探測(cè)十萬分之一變化的能力 )探索天空 ,并用無線電發(fā)回宇宙背景輻射的前所未有的最精確的畫面。宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星的結(jié)果再次確認(rèn)了大爆炸理論以及更多的東西。

然而 ,宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析起來并不容易。斯穆特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)面臨著諸多巨大難題。例如 ,他們必須仔細(xì)地消去背景輻射中地球的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。太陽系相對(duì)于背景輻射以每秒 370公里的速度漂移。這里還存在太陽系對(duì)銀河系的相對(duì)運(yùn)動(dòng) ,以及銀河系相對(duì)于星系團(tuán)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。盡管如此 ,經(jīng)過艱苦的計(jì)算后 ,人們分析出了一些令人震驚的結(jié)果。首先 ,微波背景以 0.1%的誤差與喬治 ·伽莫夫的早期預(yù)言 (用更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以調(diào)整 )相吻合 (圖9.1)。圖中的實(shí)線代表喬治 ·伽莫夫的預(yù)言 ;×代表宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。當(dāng)這幅圖首次展現(xiàn)在大約 1000位天文學(xué)家會(huì)議的屏幕上時(shí) ,房間里的每個(gè)人都起立鼓掌。這也許是科學(xué)史上的首次以一幅簡(jiǎn)單圖表就得到了如此眾多杰出科學(xué)家的雷鳴般的掌聲的典型案例。

其次 ,斯穆特團(tuán)隊(duì)證明 ,極小的幾乎是微觀的斑點(diǎn)確實(shí)出現(xiàn)在了微波背景上。這些微觀的斑點(diǎn)就是有待解釋的大爆炸后 10億年所發(fā)現(xiàn)的星團(tuán)和巨洞。(如果這些斑點(diǎn)未被宇宙背景探測(cè)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn) ,科學(xué)家就不得不在 “后大爆炸 ”分析中做出重大修正了。)再次 ,盡管這些結(jié)果與所謂的膨脹理論相一致 ,但并未證明膨脹理論。[這個(gè)理論是由美國麻省理工學(xué)院阿蘭 ·古斯 (AlanGuth)提出的。在宇宙創(chuàng)世的初始瞬間 ,宇宙的爆炸式膨脹比通常的大爆炸場(chǎng)景大得多。他認(rèn)為我們的望遠(yuǎn)鏡看到的宇宙只是一個(gè)更大宇宙的微小局部 ,宇宙本身遠(yuǎn)超出了我們可見的視野。]

圖9.1實(shí)線代表大爆炸理論做出的預(yù)言 ,它預(yù)言宇宙背景輻射應(yīng)類似于微波波段的黑體輻射?！链碛钪姹尘疤綔y(cè)衛(wèi)星收集的實(shí)際數(shù)據(jù) ,給我們提供了宇宙大爆炸理論的最有說服力的證據(jù)。

創(chuàng)世之前 :軌形

宇宙背景輻射衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果讓物理學(xué)家們有信心了解大爆炸后瞬間宇宙的起源過程。然而 ,我們?nèi)匀幻媾R著一個(gè)尷尬的問題 ———宇宙在大爆炸之前是什么 ?為什么會(huì)發(fā)生大爆炸 ?在極限條件下 ,廣義相對(duì)論會(huì)指向荒謬的答案。愛因斯坦意識(shí)到廣義相對(duì)論在這些極小的距離上會(huì)失效 ,因此,他試圖將廣義相對(duì)論推廣到一個(gè)更全面的理論來解釋這些現(xiàn)象。

在宇宙大爆炸的瞬間 ,我們期望量子效應(yīng)是制服引力的主要的力。因此,宇宙大爆炸起源的關(guān)鍵是量子引力理論。到目前為止 ,聲稱可以解決大爆炸之前秘密的唯一的理論只有十維弦理論?？茖W(xué)家們現(xiàn)正在推測(cè)十維宇宙如何分裂為一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙。我們的孿生宇宙是什么樣子的 ?

一個(gè)正在與這些宇宙難題作斗爭(zhēng)的物理學(xué)家 ,是哈佛大學(xué)的教授卡姆 拉姆 ·瓦法 (Cumrum Vafa)。他花了數(shù)年時(shí)間研究十維宇宙是如何分裂為兩個(gè)較小的宇宙的。具有諷刺意味的是 ,他也是一個(gè)被兩個(gè)世界撕裂的物理學(xué)家。瓦法生活在馬薩諸塞州的坎布里奇 ,他出生于伊朗。在過去的 10年里 ,伊朗一直飽受政治動(dòng)亂。一方面 ,瓦法希望在社會(huì)混亂平息之后回到自己的祖國伊朗 ;另一方面 ,他的研究使他遠(yuǎn)離了那片受難的國土 ,他的研究讓他進(jìn)入了遙遠(yuǎn)的六維空間 ,即宇宙早期的騷動(dòng)有機(jī)會(huì)穩(wěn)定下來的很久之前。

“想象一個(gè)簡(jiǎn)單的電子游戲 ,”他說 , 火“箭飛船可以在屏幕上旅行 ,直至達(dá)到屏幕最右邊。任何一個(gè)電子游戲玩家都知道 ,火箭飛船會(huì)突然從屏幕的左邊出現(xiàn) ,火箭從左邊出現(xiàn)的高度與火箭從右邊消失的高度相同。同理 ,如果火箭飛船走得太靠屏幕的底部 ,它會(huì)重新出現(xiàn)在屏幕的頂部。”因此 ,瓦法解釋說 ,在那個(gè)屏幕上有一個(gè)完全自包含的宇宙。你永遠(yuǎn)不能離開那個(gè)屏幕定義的宇宙。即便如此 ,大多數(shù)青少年卻從未自問 “那個(gè)宇宙實(shí)際上應(yīng)該是什么形狀的 ”。瓦法十分驚訝地指出 ,“這樣的屏幕畫面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等同于內(nèi)管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) !”

我們將屏幕想象成一張紙。由于屏幕頂部的點(diǎn)與底部的點(diǎn)相同 ,我們可以用膠水將頂部和底部粘連起來?，F(xiàn)在 ,這張紙已被卷成了一根管子。管子左邊的點(diǎn)和管子右邊的點(diǎn)相同 ,將這兩個(gè)末端粘連起來的方法是 ———將管子慢慢地彎曲成一個(gè)圓圈 ,并用膠水將兩個(gè)端口封閉 (圖9.2)。

我們所做的是把一張紙變成一個(gè)油炸圈。在游戲屏幕上漫游的火箭船可以被描述為在內(nèi)管的表面移動(dòng)。每次火箭從屏幕一邊消失 ,再出現(xiàn)在屏幕的另一邊 ,這相當(dāng)于火箭船穿過內(nèi)管的膠接點(diǎn)。

瓦法猜想我們的姐妹宇宙具有某種扭曲的六維環(huán)面形狀。瓦法和他的同事們最先提出的概念是 ,我們的姐妹宇宙可以通過數(shù)學(xué)家所說的軌形描述。事實(shí)上 ,他提出的我們的姐妹宇宙有一個(gè)軌形拓?fù)涞募僬f ,似乎與觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)吻合得相當(dāng)好。^[1]

為了將軌形可視化 ,我們可以設(shè)想 “圓周上的 360度運(yùn)動(dòng) ”。通過常識(shí),我們知道當(dāng)我們?cè)趫A周上進(jìn)行 360度的運(yùn)動(dòng)后總會(huì)回到出發(fā)時(shí)的那點(diǎn)。換句話說 ,我們繞著五月節(jié)廣場(chǎng)的桿子跳舞 ,當(dāng)繞過 360度后會(huì)發(fā)現(xiàn)自己又回到了同一點(diǎn)。然而 ,在軌形中 ,如果我們繞五月節(jié)的桿子移動(dòng)小于 360度,也能回到同一點(diǎn)。雖然這聽起來或許很荒謬 ,但事實(shí)上構(gòu)建這樣的軌形并不難。現(xiàn)在 ,設(shè)想生活在一個(gè)錐形面上的平地居民。如果它們?cè)趫D

9.2如果火箭消失在游戲屏幕畫面的右邊 ,它將重新在左邊出現(xiàn)。如果它在頂部消失 ,它會(huì)在底部重新出現(xiàn)?，F(xiàn)在把屏幕卷起來 ,使相同的點(diǎn)匹配。首先 ,通過將屏幕卷成管來匹配頂部和底部點(diǎn)。然后 ,將屏幕卷成一個(gè)圓圈 ,把左右兩邊的點(diǎn)匹配起來。這樣 ,就可以證明一個(gè)游戲屏幕有一個(gè)油炸圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圓錐體的頂點(diǎn)附近移動(dòng)不到 360度,它們就能繞回到自己的出發(fā)點(diǎn)。因此 ,軌形是一個(gè)圓錐形的高維推廣 (圖9.3)。為了感覺一下軌形 ,我們?cè)僭O(shè)想一些平地居民生活在所謂的 Z軌形上,這相當(dāng)于一個(gè)正方形的豆袋的表面 (如在狂歡節(jié)和鄉(xiāng)村集市上看到

圖9.3如果分別將 A點(diǎn)和 B點(diǎn)連接起來 ,就形成了一個(gè)圓錐 ,它是最簡(jiǎn)單的一個(gè)軌形的例子。在弦理論中 ,我們的四維宇宙可能有一個(gè)六維的孿生姐妹 ,它具有軌形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而 ,這個(gè)六維宇宙太小 ,小到無法觀察的程度。

的)。開始時(shí) ,感覺與居住在平地上并無什么不同。然而 ,當(dāng)他們考察這個(gè)表面時(shí) ,奇怪的事情發(fā)生了。例如 ,一個(gè)平地居民向任何方向行走 ,只要走的距離足夠長 ,他就會(huì)回到原點(diǎn) ,就好像走了一個(gè)圈子。然而 ,平地 居民也逐漸注意到 ,在他們宇宙中的某些點(diǎn)有些奇怪 (豆袋的 4個(gè)點(diǎn))。繞著這 4個(gè)點(diǎn)的任何 1個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn) 180度 (不是 360度),又回到了出發(fā)時(shí)的同一點(diǎn)。

瓦法的軌形最值得注意的是 ,只需設(shè)置少數(shù)假設(shè) ,就可以推導(dǎo)出夸克和其他亞原子粒子的許多特征。(正如我們?cè)谇懊娴慕榻B ,因?yàn)樵诳斣?-克萊因理論中 ,空間的幾何結(jié)構(gòu)迫使夸克具有該空間的對(duì)稱性。)這使我們確信 ,我們行走在正確的軌道上。如果這些軌形為我們提供的均為無意義的結(jié)果 ,那么 ,我們的直覺將告訴我們 ,這種結(jié)構(gòu)存在根本性的錯(cuò)誤。

如果弦理論的解中沒有一個(gè)包含標(biāo)準(zhǔn)模型 ,那么 ,我們必須像丟棄別的有希望但最終是錯(cuò)誤的理論一樣丟棄它。然而 ,物理學(xué)家非常興奮 ,因?yàn)槭聦?shí)是 ,弦理論有可能得出十分接近標(biāo)準(zhǔn)模型的解。

從法國數(shù)學(xué)家龐加萊在 20世紀(jì)初開創(chuàng)了拓?fù)鋵W(xué)以來 ,在過去的 80年里,數(shù)學(xué)家們一直在與高維空間中這些怪異表面的性質(zhì)打交道。因此 ,十維理論能夠把一大批以前看似無用的現(xiàn)代數(shù)學(xué)融入其中。

為什么會(huì)有三代 ?

尤其是 ,19世紀(jì)由數(shù)學(xué)家們所匯編的數(shù)學(xué)定理的豐富倉庫 ,現(xiàn)在正被用來解釋為什么有 3個(gè)粒子家族。正如我們前面看到的 ,大統(tǒng)一理論有一個(gè)災(zāi)難性的特征是 ———有3個(gè)相同的夸克和輕子家族。然而 ,軌形理論可以解釋大統(tǒng)一理論這個(gè)使人為難的特征 ^[2]。。

瓦法和他的同事發(fā)現(xiàn)了許多對(duì)弦方程有希望的解 ,而弦方程表現(xiàn)為與物理世界相似。事實(shí)上 ,他們用了一組非常小的假設(shè) ,就重新推導(dǎo)出了標(biāo)準(zhǔn)模型。重新推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)模型是對(duì)推導(dǎo)大統(tǒng)一理論的關(guān)鍵一步。事實(shí)上 ,這既是超弦理論的優(yōu)勢(shì) ,也是超弦理論的弱點(diǎn)。瓦法和他的同事們已經(jīng)在某種程度上成功過頭了 ———他們發(fā)現(xiàn)了弦方程的數(shù)百萬個(gè)可能的解。

超弦理論面臨的基本難題是 :在數(shù)學(xué)上 ,超弦理論可以產(chǎn)生的百萬個(gè)解中 ,誰是正確的 ?正如戴維 ·格羅斯所說 ,有百萬個(gè)具有 3個(gè)空間維的解?？赡艿慕?jīng)典解有極大的富余 ……如此豐富的解原本是令人高興的 ,因?yàn)樗峁┝酥T如雜化弦這樣的理論看起來酷似真實(shí)世界的證據(jù)。這些解中 ,除了有第 4個(gè)時(shí)空維度外 ,還有許多其他的特性與我們的世界相近 ———正確類型的粒子如夸克和輕子 ,正確類型的交互作用?！@是兩年前一個(gè)激動(dòng)人心的話題。

格羅斯警告說 ,盡管這些解中有一些與標(biāo)準(zhǔn)模型非常接近 ,但其他解卻產(chǎn)生了不良的物理性質(zhì) :“我們有這么多的解 ,卻沒有好的篩選方法 ,這非常令人尷尬。更尷尬的是 ,這些解除了有很多需要的性質(zhì)外 ,還存在少數(shù)潛在的災(zāi)難性的性質(zhì)。”第一次聽到這個(gè)話的外行也許會(huì)不解地發(fā)問 : “你為什么不計(jì)算弦理論喜歡的解呢 ?”因?yàn)橄依碚撾m然是一個(gè)定義明確的理論 ,但物理學(xué)家們卻困惑地算不出答案。

問題在于 ,物理學(xué)中的主要工具之一的微擾理論毫無用處。微擾理論 (它逐漸增加小的量子修正 )不能將十維理論分解為四維理論和六維理論。因此 ,我們不得不用非微擾方法。眾所周知 ,非微擾方法是很難使用的。這就是我們不能求解弦理論的原因。如我們前面所述 ,由吉川和我提出 ,后來又被威滕進(jìn)一步改進(jìn)的超弦理論 ,目前無法用非微擾方法求解。因?yàn)槿狈ψ銐蚵斆鞯娜顺霈F(xiàn)。

我曾經(jīng)有一個(gè)室友 ,他是歷史系研究生。我記得有一天他警告我 ,計(jì)算機(jī)革命可能最終致使物理學(xué)家失業(yè)?！爱吘?,”他說 ,“計(jì)算機(jī)可以計(jì)算一切 ,不是嗎 ?”對(duì)他來說 ,數(shù)學(xué)家把所有的物理問題放到計(jì)算機(jī)里 ,物理學(xué)家失業(yè)只是時(shí)間問題。

我被這種說法嚇了一跳 ,因?yàn)閷?duì)一個(gè)物理學(xué)家來說 ,計(jì)算機(jī)不過是一臺(tái)復(fù)雜的加法機(jī) ,一個(gè)無可挑剔的白癡。計(jì)算機(jī)彌補(bǔ)了人類智力上速度的不足。但在計(jì)算之前 ,你必須把將這個(gè)理論輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)不能自行產(chǎn)生新的理論。

此外 ,計(jì)算機(jī)即使知道一個(gè)理論 ,有時(shí)也可能需要消耗無限的時(shí)間來求解。事實(shí)上 ,計(jì)算物理中所有真正有趣的問題 ,都需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。這就是弦理論存在的問題。雖然瓦法和他的同事們得出數(shù)以百萬計(jì)可能的解 ,但要從這些解中找到誰是正確的也許要消耗計(jì)算機(jī)無限長的計(jì)算時(shí)間。又或者 ,我們用計(jì)算機(jī)去計(jì)算量子難題的解也會(huì)出現(xiàn)類似情況。如我們對(duì)涉及奇異的隧穿過程求解 ,它是有待解決的量子現(xiàn)象中最為困難的現(xiàn)象之一。

穿越時(shí)空隧道

在最后的分析中 ,我們自問卡魯扎在 1919年提出的那個(gè)問題 ———第五維到哪去了 ? ———除了在更高的程度。正如克萊因在 1926年指出的 ,這個(gè)問題的答案一定與量子理論有關(guān)。也許量子理論中最令人吃驚的 (復(fù)雜的)現(xiàn)象是隧穿效應(yīng)。

例如 ,我現(xiàn)在正坐在椅子上。我的身體突然穿過靠近我墻壁的分子 ,在別人的客廳里不請(qǐng)自來地重新聚合。這種想法是一件不愉快的事 ,也是不可能的事。然而 ,量子力學(xué)提出 ,即使最不可能發(fā)生的奇異事件也存在一個(gè)有限的極小的概率 ,并將最終發(fā)生 ———比如某天早上一覺醒來 ,發(fā)現(xiàn)我們的床在亞馬遜的叢林中。所有的事件 ,不管多么奇怪 ,都能被量子理論簡(jiǎn)化為概率問題。

這個(gè)隧穿過程聽起來更像科幻小說 ,而不是真正的科學(xué)。然而 ,隧穿過程可以在實(shí)驗(yàn)室中得到測(cè)量 ,事實(shí)上 ,正是它解決了放射性衰變之謎。通常情況下 ,原子核是穩(wěn)定的。原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子由核力結(jié)合在一起。然而 ,存在一個(gè)極小的概率 ,原子核發(fā)生分裂。原子核分裂后 ,質(zhì)子和中子有可能通過隧道穿越巨大的能壘 ,即穿越將原子核結(jié)合在一起的核力而逃逸。通常情況下 ,我們會(huì)說原子核必須是穩(wěn)定的。但鈾核確實(shí)在不該衰變時(shí)發(fā)生了衰變 ,這是不可否認(rèn)的事實(shí)。事實(shí)上 ,由于原子核中的中子隧穿能壘 ,能量定律守恒被短暫地破壞了。

當(dāng)然 ,這些概率對(duì)于像人類那樣的大型物體來說 ,小到幾乎為零。在已知宇宙壽命的時(shí)間內(nèi) ,我們穿墻過壁的概率是無窮小。因此 ,可以安全地假設(shè) ,至少在我們的有生之年無法穿墻。同理 ,我們的宇宙在初始時(shí)也許是個(gè)十維宇宙 ,它是不穩(wěn)定的。它隧穿并爆炸成一個(gè)四維宇宙和一個(gè)六維宇宙。

要理解這種隧穿的形式 ,想一想查利 ·卓別林 (CharlieChaplin)的一部電影。其中 ,卓別林正試圖在一張?zhí)卮筇?hào)的床上鋪床單。床單的 4個(gè)角上均設(shè)有松緊帶。但它太小了 ,卓別林不得不逐個(gè)將松緊帶套在床墊的每個(gè)角上。他咧嘴一笑 ,滿意地將床單順利地展開到床的 4個(gè)角上。由于張力太大了 ,一個(gè)松緊帶從一個(gè)角上脫落 ,床單卷曲起來。他沮喪地將這 處松緊帶拉回到對(duì)應(yīng)角上,另一個(gè)角上的松緊帶又脫落開來。卓別林非常懊喪,每次他將松緊帶套在一個(gè)角上,另一個(gè)角上的松緊帶就被彈出并脫落。

我們將這個(gè)過程稱為對(duì)稱性破壞。平滑拉伸的床單具有高度的對(duì)稱性。你可以將床沿著任何一個(gè)邊旋轉(zhuǎn) 180度,床單保持不變。這種高度對(duì)稱的狀態(tài)稱為假真空。假真空雖然很對(duì)稱,但并不穩(wěn)定。床單不希望處于這種拉伸狀態(tài),它繃得太緊,能量太高。于是,一個(gè)松緊帶脫落,床單卷曲起來。對(duì)稱性被打破了,床單的能量降低了,對(duì)稱性也降低了?，F(xiàn)在,通過圍繞床的一個(gè)邊將卷曲的床單旋轉(zhuǎn) 180度,我們不會(huì)再得到同一張不變的床單了,因?yàn)榇矄蔚膶?duì)稱性遭到了破壞。

現(xiàn)在我們用十維時(shí)空 (完全對(duì)稱的時(shí)空)取代床單。在時(shí)間的開端,宇宙是完全對(duì)稱的。如果那個(gè)時(shí)候有人,他可以自由地穿越十維時(shí)空中的任何維度。在那個(gè)時(shí)刻,引力、弱核力、強(qiáng)核力、電磁力都被超弦理論統(tǒng)一。所有的物質(zhì)和力都是同一個(gè)弦的多重粒子的一部分。然而,這種對(duì)稱性不能持久。十維宇宙雖然完全對(duì)稱,但卻并不穩(wěn)定。它像床單一樣,處于一個(gè)假真空狀態(tài)。因此,穿越到低能量狀態(tài)是不可避免的 (向低能態(tài)的隧穿是必然的)。當(dāng)隧穿最終發(fā)生時(shí),會(huì)發(fā)生相變,同時(shí)會(huì)丟失對(duì)稱性。

因?yàn)槭S宇宙分裂為四維宇宙和六維宇宙,所以宇宙不再是對(duì)稱的。 6個(gè)維度卷曲起來,就像當(dāng)一個(gè)松緊帶從床墊角上彈出時(shí),床單卷曲起來一樣。但請(qǐng)注意,床單可以有4種卷曲方式,這取決于哪個(gè)角先脫落。然而,對(duì)十維宇宙而言,顯然有成千上萬的卷曲方式。為了計(jì)算十維宇宙所偏愛的狀態(tài),我們需要用相變理論來解弦場(chǎng)論,這是量子理論中最困難的問題。

對(duì)稱性破壞

相變并不是什么新鮮事。想想我們自己的生活。蓋爾 ·希伊 (Gail Shehy)在她的書《階段》中強(qiáng)調(diào),生活并非它平常表現(xiàn)出的那樣是一個(gè)像夢(mèng)一樣的連續(xù)經(jīng)驗(yàn)流,它實(shí)際上是通過若干階段組成,每個(gè)階段由特定的必須解決的沖突和必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)組成。

心理學(xué)家埃里克·埃里克森 (ErikErikson)甚至提出了一種心理發(fā) 展階段理論。每個(gè)階段都有主要沖突表征。如果這個(gè)沖突被正確解決 ,我們將進(jìn)入下一階段 ;如果這個(gè)沖突未被得到解決 ,它將會(huì)惡化 ,甚至導(dǎo)致回歸到早期。同樣 ,心理學(xué)家讓 ·皮亞杰 (JeanPiaget)發(fā)現(xiàn) ,兒童早期心理發(fā)展也并非一個(gè)簡(jiǎn)單順利的學(xué)習(xí)過程 ,兒童能夠概念化實(shí)際上是典型的階段突變所致。某個(gè)月 ,某個(gè)孩子可能放棄了尋找滾出他視野的球。因?yàn)樗焕斫庖粋€(gè)道理 ———即使他不再看見某個(gè)物體 ,某個(gè)物體或許仍然存在的道理。下個(gè)月 ,這個(gè)道理對(duì)孩子來說也許就顯而易見了。這就是辯證法的本質(zhì)。根據(jù)這個(gè)哲學(xué) ,所有的物體 (人、氣體、宇宙本身 )都經(jīng)歷了一系列的階段。每個(gè)階段的特點(diǎn)是兩種對(duì)立力量之間的沖突。事實(shí)上 ,這種沖突的性質(zhì)決定了這個(gè)階段的性質(zhì)。當(dāng)沖突被解決時(shí) ,對(duì)象進(jìn)入一個(gè)稱為綜合推理的更高階段。這時(shí)新的矛盾又開始了 ,這個(gè)過程在更高的層次重新開始。

哲學(xué)家們稱之為從 “量變 ”到 “質(zhì)變 ”的轉(zhuǎn)變。微小的數(shù)量變化最終積累起來 ,直到與過去發(fā)生了質(zhì)的決裂。這個(gè)理論同樣適用于社會(huì)。在一個(gè)社會(huì)中的緊張局勢(shì)可以急劇上升 ,如法國在 18世紀(jì)末發(fā)生的事情。農(nóng)民面臨饑餓 ,自發(fā)的糧食騷亂發(fā)生了 ,貴族撤退到他們的堡壘中。當(dāng)緊張局勢(shì)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí) ,從量變到質(zhì)變發(fā)生了階段性轉(zhuǎn)變 :農(nóng)民拿起武器 ,攻占巴黎、攻占巴士底獄。

相變也可能是突發(fā)性的事件。例如 ,設(shè)想河流被堵住了。大壩后的水庫迅速積滿了河水 ,水壩承受著巨大的壓力。由于水庫不穩(wěn)定 ,它處于假真空狀態(tài)。而事實(shí)上 ,水更傾向于處于真正的真空狀態(tài) ,這意味著它更愿意沖出水壩 ,沖向下游從而達(dá)到低能態(tài)。于是 ,可能會(huì)造成災(zāi)難性后果的決堤事件就是一種相變。

一個(gè)更具突發(fā)性的例子是原子彈。假真空對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定的鈾核。雖然鈾核似乎是穩(wěn)定的 ,但鈾核中潛藏著巨大的、易爆炸的能量。它的爆炸效果是化學(xué)炸藥的幾百萬倍。有時(shí) ,原子核會(huì)隧穿到一個(gè)較低的能態(tài) ,即核自發(fā)分裂 ,這被稱為放射性衰變。然而 ,用中子轟擊鈾核 ,可能使它一次性釋放出所有被禁錮的能量。當(dāng)然 ,這就是原子彈爆炸的原理。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的有關(guān)相變的新特性是 ———相變通常伴隨著對(duì)稱性破壞 (對(duì)稱性被打破)。諾貝爾獎(jiǎng)得主薩拉姆喜歡以下的說明 :考慮一個(gè)圓形的宴會(huì)桌 ,出席客人的兩邊都放置著香檳酒杯且是對(duì)稱的。我們透過鏡子觀看宴會(huì)桌 ,會(huì)看到同樣的場(chǎng)面 :所有賓客圍桌而坐 ,每人的左右兩邊都有 一個(gè)香檳酒杯。同理 ,我們?nèi)绻D(zhuǎn)圓形宴會(huì)桌 ,一切布置仍然保持不變。

現(xiàn)在打破對(duì)稱。假設(shè)第一個(gè)就餐者舉起他或她右邊的杯子。按照慣例,所有客人都把右邊的香檳酒杯舉起。請(qǐng)注意 ,鏡子中的宴會(huì)桌的鏡像產(chǎn)生了相反的情形 ———每個(gè)就餐的人都拿起他或她左邊的杯子。因此左右對(duì)稱已被打破。

對(duì)稱破壞的另一個(gè)例子來自于一個(gè)古老的童話。這個(gè)童話講述的是一個(gè)公主被限制在一個(gè)拋光水晶球頂部。雖然沒有鐵條將她束縛在球體上 ,但她卻無法逃離 ,因?yàn)樗晕⒒蝿?dòng)下 ,就會(huì)從球體上滑下來摔死。無數(shù)王子試圖拯救公主 ,但他們都沒有爬上去 ,因?yàn)榍蛎嫣饣?。這是對(duì)稱破壞的一個(gè)典型案例。當(dāng)公主在球體頂部時(shí) ,處于完全對(duì)稱的狀態(tài)。球體沒有優(yōu)先方向。我們從任何角度旋轉(zhuǎn)球體 ,球體均保持原狀。然而 ,任何偏離中心的錯(cuò)誤動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致公主摔倒 ,從而打破對(duì)稱。例如 ,公主倒向西面,旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性就被打破了。向西的方向現(xiàn)在被選中。

因此 ,最大對(duì)稱性的態(tài) ,常常也是不穩(wěn)定態(tài) ,從而相應(yīng)于假真空。真正真空狀態(tài)相應(yīng)于公主從球上掉下來。所以 ,相變 (從球上掉下 )相應(yīng)于對(duì)稱被打破 (選擇了向西的方向)。

說到超弦理論 ,物理學(xué)家們假設(shè) (但是尚未證明 )原來的十維宇宙是不穩(wěn)定的 ,它隧穿到達(dá)四維宇宙和六維宇宙。因此 ,原始宇宙處于假真空態(tài),即最大對(duì)稱性的態(tài)。而今天 ,我們處于真正的真空態(tài)。

這引發(fā)了一個(gè)令人不安的問題 :如果我們的宇宙實(shí)際上不處于真正的真空態(tài) ,會(huì)發(fā)生什么 ?如果超弦只是暫時(shí)選擇了我們 ,而真正的真空態(tài)仍然處在幾百萬可能的軌形之中 ,會(huì)發(fā)生什么 ?這將產(chǎn)生災(zāi)難性的結(jié)果。在很多其他的軌形中 ,我們并未發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的存在。因此 ,如果真正的真空態(tài)實(shí)際上是一種標(biāo)準(zhǔn)模型不存在的態(tài) ,那么 ,我們知道的所有的化學(xué)定律和物理定律會(huì)轟然倒塌。

如果出現(xiàn)這種情況 ,一個(gè)小小的氣泡可能會(huì)突然出現(xiàn)在我們的宇宙中。在這個(gè)氣泡中 ,標(biāo)準(zhǔn)模型將不能再成立 ,一組有別于我們認(rèn)識(shí)的化學(xué)定律和物理定律將會(huì)在這里起作用。氣泡內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)瓦解 ,也許會(huì)以不同的方式重新形成。接著 ,這個(gè)氣泡會(huì)以光的速度膨脹 ,吞沒整個(gè)恒星系統(tǒng)、星系、星系群 ,直到吞噬整個(gè)宇宙。

我們永遠(yuǎn)也看不到它成為現(xiàn)實(shí)。因?yàn)樗怨馑賯鞑?,它將永遠(yuǎn)不會(huì)被 事先觀察到。我們將永遠(yuǎn)不知道是什么擊中了我們。

從冰塊到超弦

設(shè)想 ,我們廚房里的高壓鍋中放著一塊普通的冰塊。眾所周知 ,如果我們點(diǎn)燃爐子 ,將會(huì)發(fā)生什么。但是 ,如果我們將爐子加熱到數(shù)萬億攝氏度呢 ?里面的冰塊會(huì)發(fā)生什么變化 ?

如果我們?cè)跔t子上加熱冰塊 ,它會(huì)融化為水 ,經(jīng)歷了一次相變?，F(xiàn)在我們將水加熱直到沸騰 ,水變?yōu)榱苏羝?,它經(jīng)歷了又一次相變。接下來 ,我們將蒸汽加熱到巨大的高溫。最終 ,水分子分解了。分子的能量超過了分子的結(jié)合能 ,這些分子被分解為氫和氧。

現(xiàn)在 ,我們繼續(xù)將它加熱 ,直到它超過 3000開。這時(shí) ,氫原子和氧原子被撕裂。電子從原子核中被拉出來 ,我們現(xiàn)在有等離子體 (即電離的氣體 ),常稱為物質(zhì)的第四態(tài) (在氣體、液體、固體之后)。雖然等離子體不是普通經(jīng)驗(yàn)中能遇到的物質(zhì)狀態(tài) ,但每當(dāng)我們看太陽時(shí)就能看到它。事實(shí)上 ,等離子體是宇宙中最常見的物質(zhì)狀態(tài)。

現(xiàn)在繼續(xù)將等離子體在爐子里加熱到 109開,直到氫和氧的原子核被分裂 ,我們就有了由單個(gè)質(zhì)子和中子構(gòu)成的 “氣體 ”,與中子星的內(nèi)部相似。

如果我們進(jìn)一步加熱核子 “氣體 ”到 10¹⁵開,這些亞原子粒子會(huì)變成游離的夸克 ,生成夸克和輕子氣體 (電子和中微子)。

如果加熱這個(gè)氣體到 10¹⁷開,電磁力和弱核力將統(tǒng)一起來。對(duì)稱性SU (2)×U (l)將會(huì)在這個(gè)溫度下出現(xiàn)。當(dāng)溫度達(dá)到 10²⁸開,電磁力和強(qiáng)核力將統(tǒng)一起來 ,大統(tǒng)一理論的對(duì)稱性 [SU (5),O (10)或 E (6)]出現(xiàn)。

最后 ,在神話般的 1032開的溫度下 ,引力和大統(tǒng)一理論力統(tǒng)一起來 ,十維超弦的所有對(duì)稱性出現(xiàn)。我們現(xiàn)在利用高壓鍋生成了超弦氣體。在這個(gè)溫度下 ,有如此多的能量進(jìn)入高壓鍋。時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)很可能發(fā)生了扭曲,時(shí)空的維度也發(fā)生了改變。我們廚房周圍的空間很可能變得不穩(wěn)定 ,在空間結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)了一條裂口 ,蟲洞在廚房里產(chǎn)生。這時(shí) ,最明智的選擇是離開廚房。

大爆炸冷卻

通過前面的舉例描述 ,我們知道加熱一個(gè)普通的冰塊到夢(mèng)幻般的溫度,我們可以找回超弦。這里的經(jīng)驗(yàn)在于 ,當(dāng)我們對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加熱時(shí) ,物質(zhì)會(huì)經(jīng)歷一定的明確的發(fā)展階段。最終 ,隨著能量的增加 ,越來越多的對(duì)稱性得到了恢復(fù)。

我們逆轉(zhuǎn)這個(gè)過程 ,我們就能理解宇宙大爆炸是如何作為一個(gè)不同階段的結(jié)果而出現(xiàn)。我們現(xiàn)在不是加熱冰塊 ,而是冷卻宇宙中的超高溫物質(zhì)使其通過不同階段。從創(chuàng)世開始 ,我們?cè)谟钪嬖谘莼^程中經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段 :

10-43秒:十維宇宙分解為四維宇宙和六維的宇宙。六維宇宙坍塌縮小到 10-32米大小。四維宇宙迅速膨脹 ,溫度達(dá)到 1032開。

10-35秒:大統(tǒng)一理論力分裂 ,強(qiáng)力不再聯(lián)合弱電磁力相互作用。 SU (3)從大統(tǒng)一理論對(duì)稱性分裂出來。大宇宙中的一個(gè)小斑點(diǎn)膨脹了1050倍,最終成為了我們的可見宇宙。

10-9秒:溫度現(xiàn)在是 1015開,弱電磁力對(duì)稱性分解為 SU (2)和U (1)。 10-3秒:夸克開始聚合為中子和質(zhì)子。溫度大約是 1014開。 3分鐘 :質(zhì)子和中子凝結(jié)成穩(wěn)定的原子核。隨機(jī)碰撞的能量不再強(qiáng)大到足以打破新形成的原子核。因?yàn)殡x子不透光 ,所以空間仍然是不透明的。

30萬年 :電子開始在原子核周圍凝聚 ,原子開始形成。因?yàn)楣獠辉俦贿^多地吸收或散射 ,宇宙開始變得透明 ,外層空間開始變得黑暗。

30億年 :第一批類星體出現(xiàn)。 50億年 :第一批星系出現(xiàn)。 100億—150億年 :太陽系誕生。此后幾十億年 ,生命的初始形式在地球上出現(xiàn)。

這看起來非常不可思議 :在這樣的小星系 (銀河系 )中的小恒星 (陽)的第三個(gè)行星 (地球 )上的智能猿 ,竟然可以重建我們的宇宙史。從太現(xiàn)在回溯到宇宙誕生的瞬間。那時(shí)宇宙的溫度和壓力遠(yuǎn)超現(xiàn)在太陽系的任何溫度和壓力。然而 ,包含弱核力相互作用、電磁力相互作用、強(qiáng)核力相互作用的量子理論為我們揭示了這一物理繪景。

與創(chuàng)世繪景一樣令人吃驚的是 :蟲洞可以作為我們進(jìn)入另一個(gè)宇宙的通道 ,甚至可以作為時(shí)間機(jī)器進(jìn)入過去或者走向未來。借助量子引力理論,物理學(xué)家也許能夠回答這些有趣的問題 :平行宇宙存在嗎 ?過去可以被改變嗎 ?

[1]軌形理論實(shí)際上是幾個(gè)人的共同產(chǎn)物,包括普林斯頓的 L.狄克遜 (L.Dixon)、J.哈維 (J.Harvey)和愛德華·威滕 (Edward Witen)。

[2]幾年前,數(shù)學(xué)家們問自己一個(gè)簡(jiǎn)單的問題:“給定 N維空間中的一個(gè)曲面,它能存在多少種振動(dòng)?”比如,把沙子倒在鼓上。當(dāng)鼓在一定頻率下振動(dòng)時(shí),沙粒在鼓面上形成優(yōu)美的對(duì)稱圖案。鼓面的不同頻率將對(duì)應(yīng)不同的沙粒圖案。類似地,數(shù)學(xué)家們計(jì)算了彎曲的 N維曲面上的表面允許的共振振動(dòng)的數(shù)目和種類。他們甚至計(jì)算了電子在這樣一個(gè)假想的表面上振動(dòng)的數(shù)量和種類。對(duì)數(shù)學(xué)家來說,這是一次聰明的智力演習(xí)。沒有人認(rèn)為它會(huì)帶出什么物理后果。畢竟,他們認(rèn)為電子在 N維表面上不會(huì)振動(dòng)。現(xiàn)在可以用這個(gè)龐大的數(shù)學(xué)定理來解決大統(tǒng)一理論的家族問題。如果弦理論是正確的,每個(gè)大統(tǒng)一理論家族必須是軌形上某些振動(dòng)的反映。由于振動(dòng)的各種類型已被數(shù)學(xué)家編目,因此物理學(xué)家所要做的就是看著一本數(shù)學(xué)書,告訴他們有多少相同的家族!因此,家族問題的根源是拓?fù)鋵W(xué)。如果弦理論是正確的,那么,我們只能將自己的意識(shí)擴(kuò)展到10個(gè)維度,否則絕不能理解大統(tǒng)一理論這3個(gè)重復(fù)的粒子家族的起源。一旦我們將多余的維度卷成一個(gè)小球,我們就可以把理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。例如,弦的最低激發(fā)對(duì)應(yīng)于一個(gè)非常小半徑的閉合弦。在一個(gè)小的閉合弦振動(dòng)中產(chǎn)生的粒子正是那些在超引力中發(fā)現(xiàn)的粒子。因此,我們重新找到了超引力的所有好結(jié)果,排除了結(jié)果。這種新的超引力的對(duì)稱群是 E (8)× E (8),比標(biāo)準(zhǔn)模型的對(duì)稱性甚至大統(tǒng)一理論的對(duì)稱性大得多。因此,超弦理論包含大統(tǒng)一理論和超引力理論 (卻沒有這兩個(gè)理論的眾多壞特征)。超弦理論并非將它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手消滅,而是將它們統(tǒng)統(tǒng)吞掉。

但是,這些軌形也帶來了一些新的問題———我們可以構(gòu)造成千上萬的軌形。我們陷入了富裕的困境!每一個(gè)軌形原則上都描述了一個(gè)宇宙。怎樣才能辨認(rèn)哪個(gè)宇宙是正確的呢?在這些數(shù)以千計(jì)的解中,我們找到了許多解,它們能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)3代或3個(gè)家族的夸克和輕子。我們也能預(yù)言數(shù)以千計(jì)的解,它們中有許多超過了3代。因此,大統(tǒng)一理論認(rèn)為3代太多,弦理論的許多解卻認(rèn)為3代太少