M理論和11維空間－《平行宇宙》

2015/06/13 |

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科學家曾以懷疑的眼光審視平行宇宙這一思想，因為它太神秘、太誇張和太離奇了。任何敢於研究平行宇宙的科學家都會受到嘲笑和傷害他的事業生涯，因為即便是現在也沒有實驗證據證明它的存在。

但是，近年來潮流急劇改變，本星球傑出的思想家都在極為興奮地探討這一課題。這種突然的轉變是由於一個新的理論，「弦理論」的出現，它的最新版本叫做「M理論」。該理論讓我們不僅有可能揭示多元宇宙的性質，還讓我們能「解讀上帝的心思」，正如愛因斯坦曾經雄辯地指出的那樣。

如果這一理論證明是正確的，這將代表過去兩千年自希臘人首先開始探索單一的、一致的和全面的宇宙理論以來的物理學研究的最高成就。

關於弦理論和M理論所發表的論文數量是驚人的，有幾萬篇。關於這個課題舉辦了幾百次國際會議。世界上每一個主要的大學或者有一個小組在研究弦理論，或拼命地想認識它。儘管此理論不能用我們今天薄弱的儀器來檢測，它仍然激發了物理學家、數學家、經驗主義者的極大興趣。他們希望能在將來利用外太空強大的重力波檢測器和巨大的原子對撞機檢測此理論的正確性。

最終，此理論可能回答自大霹靂理論提出以來一直困擾宇宙學家的問題：在大霹靂之前發生了什麼？

Source from Matthew Roth

這要求我們運用物理學知識的全部力量，運用幾個世紀以來所積累的每一個物理發現。換句話說，我們需要一個「萬物的理論」，一個包括驅動宇宙的各種物理力的理論。愛因斯坦花費了他生命的最後三十年追尋這種理論，但他最終未能成功。

目前，能夠解釋控制宇宙力多樣性的最重要的（和唯一的）理論是弦理論，或者它最近的化身M理論。（M代表「膜」，也包含「神秘」、「魔法」甚至「母親」的意思。儘管弦理論和M理論基本上是相同的，但M理論是一個更神秘的、更完善的、統一各種弦理論的框架。）

自古希臘以來，哲學家就已推測：最終組成大塊物質的可能是微小的叫做原子的粒子。今天，用我們強大的原子對撞機和粒子加速器，我們已經能夠將原子分裂為電子和原子核，原子核又可分裂為更小的次原子粒子。但是我們找不到一個優雅的、簡單的框架，從加速器發現的是幾百個次原子粒子，名字也很奇怪，如：微中子、夸克、介子、輕子、強子、膠子、W玻色子，等等。很難相信，大自然在它最基本的層次上會產生這麼多令人糊塗的奇異的次原子粒子群。

弦理論和M理論是根據一個簡單的和美妙的思想，即構成宇宙的讓人困惑的各種次原子粒子，類似於可以在小提琴琴弦上演奏的音調，或在鼓膜上演奏的鼓點。（「弦」和「膜」不是普通的弦和膜，它們存在於第10維和第11維超空間。）

傳統上，物理學家把電子看做是無限小的點粒子。這意味著物理學家不得不為他們發現的幾百種次原子的每一個引進不同的點粒子，結果造成十分混亂的局面。但是根據弦理論，如果我們有一個超級顯微鏡能夠探測到一個電子的心臟，我們將會看到它根本不是點粒子，而是一個很小的振動的弦。只是因為我們的儀器太粗糙，它才看上去是一個點粒子。

這些很小的弦依次以不同的頻率振動和共鳴。如果我們撥動這個振動的弦，那麼它就會改變模式，變成另一個次原子粒子，如夸克粒子。再把它撥動，它又將轉變成微中子。用這種方式，我們可以將眾多的次原子粒子解釋為不是別的，而是弦的不同音調。我們現在可以將實驗室看到的幾百個次原子用一個單一的弦這個物體來代替。

用這個新的詞彙，經過幾千年的試驗仔細構造的物理學定律不是別的，只是人們為弦和膜書寫的協調規律。化學定律是人們可以在這些弦上演奏的悅耳音調。宇宙是弦的交響曲。愛因斯坦意味深長地所譜寫的有關「上帝的心思」是整個超空間的宇宙音樂共鳴。（這又產生了另一個問題：如果宇宙是弦的交響曲，那麼有作曲家嗎？我在後面的第十二章討論這個問題。）

宇宙的終結

WMAP不僅讓我們更精確地看到早期的宇宙，它也給出我們的宇宙將如何死亡的最詳細圖片。正如神秘的反重力在創世之初將星系推開一樣，這同一個反重力正將宇宙推向它的最終命運。以前，天文學家認為宇宙的膨脹正逐漸減慢。現在，我們認識到，宇宙的膨脹是加速的，星系正以不斷增加的速度飛快地離開我們。

構成宇宙物質和能量百分之七十三的同一個暗能量正在加速宇宙的膨脹，以日益增加的速度將星系推開。太空望遠鏡研究所的亞當．里斯（Adam Riess）說：「宇宙就像一個見到紅燈減慢速度的駕駛員，當紅燈變成綠燈時踩油門加速前進。」

除非有什麼意外的事情發生使這個膨脹過程逆轉，在一千五百億年內我們的銀河系將變成一個孤島，99.99999%的銀河系附近的星系將跑到可見宇宙的邊緣之外。夜晚天空中熟悉的星系將跑到離開我們如此遙遠的地方，以致它們的光線永遠也不能到達我們。

這些星系本身不會消失，但它們離得太遠，我們的望遠鏡不能再看到它們。儘管可見宇宙包含大約一千億個星系，但在一千五百億年後僅能見到局部超星系團中的幾千個星系。在更加遙遠的將來，只有由三十六個星系組成的本地星群構成整個可見的宇宙，幾十億個星系將漂出地平線的邊緣之外。（這是因為本地星群的重力足以克服膨脹力。反過來說，當遙遠的星系離開視野，生活在這個黑暗世紀的任何天文學家可能根本檢測不到宇宙的膨脹，因為本地星系群內部不膨脹。在遙遠的未來，第一次分析夜晚天空的天文學家可能認識不到有任何膨脹，於是得出結論說：宇宙是靜態的，僅由三十六個星系構成。）

如果這個反重力繼續下去，宇宙將最終死亡，形成大凍結。由於深層空間的溫度趨於絕對零度，分子本身都很難運動，宇宙中的所有智慧生命最終將被凍死。在幾兆的幾兆年之後，星星將不再發光，它們的核火因燃料耗盡而熄滅，夜晚的天空將永遠是漆黑一片。宇宙膨脹留下來的僅僅是由矮星、中子星和黑洞構成的寒冷的、死亡的宇宙。更遠更遠的將來，黑洞本身也將蒸發掉它們的能量，留下一個無生氣的由漂浮基本粒子顆粒構成的寒冷的霧。在這樣一個荒涼的寒冷宇宙中，任何可以想像的生命形式實際上都是不可能的。在這樣一個凍結的環境中，熱力學的鐵則不允許有任何資訊傳遞，所有的生命必然滅絕。

在十八世紀就有人開始認識到宇宙最終將可能冰凍而死。查理斯．達爾文（Charles Darwin）在評論物理學定律似乎註定了所有智慧生命必將滅亡這一令人沮喪的結局時，寫道：「我相信在遙遠將來的人類，比起現在將是更加完善的生物，一想到人類和所有其他有知覺的生物，在這個長期持續的緩慢過程中註定要完全滅絕，讓人不能忍受。」不幸的是，從WMAP衛星得到的最新資料似乎證實了達爾文的擔憂。

逃往超級空間

物理定律決定了宇宙間的智能生命將註定面臨死亡。但是也有演化定律，當環境改變時生命可以適應環境而生存下去，或者死亡。因為生命不可能適應因凍結而死亡的宇宙，因此為了避免死亡唯一的選擇是離開我們這個宇宙。當宇宙面臨最終死亡的時候，幾兆年後的文明是不是有可能具備了必要的技術，乘坐太空「生命之船」離開我們的宇宙，漂向另一個更年輕、更溫暖的宇宙呢？或者是不是他們能夠利用超級技術構建「時間彎曲」，返回到過去他們自己的那個更溫暖的年代呢？

另一個極端的構思是：有些物理學家提出了一些似乎可信的計畫，利用可利用的最先進物理學，提供最現實的空間入口或通往另一個宇宙的通路。當物理學家計算人們是不是可能利用「外來的能量」和黑洞，找到通往另一個宇宙的通道時，全世界物理實驗室的黑板上充滿了抽象的方程式。幾百萬年到幾十億年以後的文明是不是能在技術上開發出已知的、進入另一個宇宙的物理定律呢？

劍橋大學的宇宙學家史蒂芬．霍金（Stephen Hawkin）曾俏皮地說：「蟲洞，如果存在的話，會是快速太空旅行的理想通道。你可以穿過蟲洞到星系的另一側，然後趕回來吃午餐。」

如果「蟲洞」和「空間入口」尺寸太小，無法讓大批的人離開我們的宇宙，那麼還有另一個選擇：將高級智慧文明的總訊息量縮減到分子級別，讓它們通過通道，然後在另一端重新自我裝配。用這種方式，整個文明可以將它的種子通過空間通道，然後重建它的光輝。超空間不是理論物理學家手中的玩物，在宇宙面臨死亡時，它是拯救智能生命的最終途徑。

但是要完全理解這些內容的含義，我們必須首先瞭解宇宙學家和物理學家是怎樣經過千辛萬苦才得到這些令人吃驚的結論的。在《平行宇宙》這本書中，我們將審閱宇宙學的歷史，幾個世紀以來在這個領域所產生的矛盾，最後闡述與所有實驗資料相符合的暴脹理論，以及我們不得不接受的多重宇宙的概念。