【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— 漫谈统一场理论
伍岗
Information Processing: White holes and eternal black holes
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Information Processing: 03/2008
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黑洞不是全黑的，它能
辐射出些许光子、中子和其他粒子。这个叫做“霍金辐射 (一)：困惑·信仰·科学方法 当时空被莫名其妙地扩展成十维、十一维乃至二十六维的时候，当空间被解释成一 爿丑陋的烂橘子皮或一根畸形的破水管的时候，当穿越时间隧道被科幻作家形容得 悲惨壮丽好像走火入魔的气在食道里乱窜的时候，当系统内的一大堆参数被搬来拨 去追求最佳效果宛若瞎猫折腾臭鱼烂虾的时候，您是不是觉得我们做错了什么？以 如此高昂的代价换取统一场理论，值么？ 是的，如果宇宙当真如统一场论描述的那样，毫无疑问，值！ 可是我们就没犯方向性错误？当年托勒密用三佰个周转圆的天动理论体系，计算出 的天体运行结果，比用哥白尼《 天旋论》(De Revolutionibus Orbium)中的地动理 论体系更吻合于观察；当年引进光的传播介质“以太”和导入的“洛伦兹短缩”也 很好地解释了光行差现象和光在流动水中传播的实验结果。但今天我们知道，“周 转圆”和“以太”并不存在于现实世界中。 难道我们又出错了？如果是的话，到底错在哪儿？ 莫非，物理学上的另一次革命的曙光已露端倪？ 铺平你的纸张，并，削尖你的铅笔！… 且慢！你可以怀疑，但要推翻一个理论，还需用科学的手段！ 的确，无论科学界还是非科学界，不少人怀疑统一场论的思想方法能否建立起一个 能描述真实的宇宙模型。然而科学毕竟是科学，那些画几个圈涂两个字的业余科学 家哲学家的时空观，只能显示从两千多年前老子墨子庄子起便不长进的思想。科学 需建立在观测的基础上，对未知进行推断，由逻辑证实且能用实验证伪。当今理论 物理学家们想要建立的统一场理论便是沿著科学的道路向前摸索着的。 科学的方法，说起来并不复杂，核心便是老老实实认认真真。首先是观测结果的归 纳，接著是假说的设定，然后推理演绎诠释结论，最后不断地证伪直至体系被推翻。 什么是科学？Karl Popper提出个界定科学的证伪标准(Falsification Principle)： 凡不能利用实验证伪的体系不能称之为科学体系；即使是只有单一的证据能够反驳 一个一般性的说法，便足以推翻那个说法的可信性。证伪标准来源于维也纳哲学学 派逻辑实证主义者(Logical Positivism)，这个学派认为：一切关于自然界的论点 全是没有意义的，除非它是可以实验的。举例来说，“咪咪是女的”便是可以重复 验证的，交给河马便能执行实验了；而“小资的色彩是蓝色的”，或许能引发起某 些人心灵上的翻江倒海和脸蛋上的浊涕清泪，但那不是科学的判断，因为即使你呼 天号地寻死觅活地去捍卫或诋毁那个“蓝色的小资”，也不可能找到一个实验来证 伪“小资是蓝色的”。 量子场论和广义相对论带给我们一个全新的物理世界诠释，对这些理论的证伪也从 未间断过。几十年来，围绕这两大理论产生出不少观点。其中，试图将这两大理论 统一的尝试尤其引人入胜，因为由此我们可以得到一个全能的理论---自然界的单一 化叙述：所有的物理现象可以从一个基本原理衍生出来。 让我们简单看看统一场论的内容和方法。 (二)：基本粒子和作用力 统一场论是指微尺度上的量子力学和大尺度上的相对论力学的统一，诉诸于物理概 念，就是力的统一。 自然界五花八门的力可分为四种：引力(Gravitation)、电磁力(Electromagnetism)、 两类核作用力(Nuclear force)---弱作用力和强作用力。其中引力服从于相对论力 学理论，其他三种力服从于量子力学理论。统一场论的要求就是找到一个单一的数 学语言描述这四种力。由于各类粒子对以上四种力的感觉不同，当今流行的构造统 一场论的方法是，将对应于不同种力的粒子用同一理论框架维系起来。 基本粒子的学说可以追述到古希腊哲学家流西普斯(Leucippus)和德谟克里特斯(Democritus) 。大约公元前四百年，德谟克里特斯提出原子论。他认为大千世界由虚空和原子(atoms) 构成，原子不生不灭，是物质能够分割的最小单位。这种观点持续了两千多年，直 到十九世纪，汤姆生(Thomson)等发现了电子，人们才知道原子内部并非是充实的， 里面还有更小的粒子在运动。二十世纪，物理学家发现了原子的基本模型，以后中 子及各种介子相继发现，基本粒子也就越来越小了。 如今我们明了，原子中的核子：质子、中子等是由叫做夸克(quarks)的更小粒子组 成。夸克以两个或三个一组结合生成核子。想要解释目前已知的核子，就必须有至 少六种夸克：u(up)夸克、d(down)夸克、s(strange)夸克、c(charm)夸克、t(top)夸 克、b(bottom)夸克。原子中不是由夸克组成的基本粒子有电子、两种类似电子但比 电子重的粒子、三种微中子(neutrinos)，这六种粒子统称为轻子(leptons)。每一 种粒子都有相应的能互为湮灭的反粒子。 值得强调的一点是：粒子可分为两类，自旋为整数倍的具有交换对称性的玻色子和 自旋为半奇数倍的具有交换反对称性的费密子。这两类粒子在构成物质和承受传递 力上所起的作用有著本质的区别。费密子服从泡利不相容原理，这是宇宙之所以没 有坍缩成一锅粥的原因。核作用力对这两类粒子的作用各不相同，弱核力仅作用在 费密子上；玻色子交换时，描述体系的哈密尔顿量(即系统的波函数)并无变化，因 而可以产生很强的力。 物质的组成和运动，是因为力在粒子间的作用。上述四大种力在自然界扮演的角色 各不相同。引力和电磁力是我们大家所熟悉的。强核力将存在于质子、中子等重子 (baryon)以及介子(meson)间的夸克维系在一起，这需要八种不同的传递粒子(messenger particales)，它们被统称为胶子(gluons)。胶子互换时，产生的力会随距离增长而 增大，故此夸克不可能逃逸出核子外。弱核力决定原子核的稳定，相应的三种传递 粒子称为W+、W-、Z0。 我们每天感受到的来自太阳的光和热，是因为太阳在强作用下核反应放出的能量。 现实中，我们很难看到弱作用所产生的现象。1987年，大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud)有颗超新星(supernova)爆炸发出一阵光芒，是弱作用力的产物。原因是那颗 超新星坍缩时释放出大量的微中子，这些微中子只能凭借着弱作用力爆开星球外层 而逸出。 力的统一远早于统一场论的提出。量子论和相对论还没有影子的十九世纪中叶，法 拉第和麦克斯威尔就将电力和磁力合二为一了。这个例子一直为当今持统一场论论 调的物理学家们津津乐道，很大原因是描述电磁场的Maxwell方程精美绝伦。电磁理 论得出后，有些物理学家(譬如法拉第)基于库仑引力的公式和牛顿引力的公式外观 上太象，因而怀疑电磁力和万有引力间存在某种内在关系。这大概可以理解为统一 场论的雏形吧。 经理论物理学家的努力，将电磁力、弱核力、强核力统一的大统一理(GUTs, Grand Unified Theories)获得了一定的进展。上世纪六十年代末，格拉休(Sheldon Glashow)、 萨拉姆 (Abdus Salam)、温伯格 (Steven Weinberg)提出了电弱理论(electromagnetic- weak theory)，被认为是统一了电磁力和弱作用力。近二十年来，物理学家们作了 许多将上述两种力与强作用力合并的尝试，得到了些有趣的结果。 凡是科学结论必需具有证伪机制。大统一理论也一样。大统一理论预言夸克和轻子 的等同性，这一理论将导致质子衰变为正电子(positron)。但这个证伪实验有很大 的困难：理论上在最少10^32个质子中每年大约仅有一个会发生衰变。大统一理论的 另一预言是存在磁单极(magnetic monopoles)。磁铁均有南北两磁极，大统一理论 给出粒子携有单个磁南极或磁北极的可能性。不过，严格地说，以上两个实验不是 证伪，毋宁说是证实，因为实验成功增加了大统一理论成立的可信度，但实验却缺 乏否定机制，即没有推翻大一统理论的机制。我们只要回忆一下观测光的引力弯曲 的实验就可以明白证伪实验与证实实验的区别。当年如果观测到的现象不符合爱因 斯坦广义相对论推演的结论，广义相对论就会被推翻，或至少要作重大的修正。 (三)：超对称性和超弦理论 一般的广义相对论教材中总会有一个章节介绍量子引力，但也总会强调，现今还没 有完备和自洽的关于引力的量子理论。流行的模型中，当构造引力子的Hamilton量 时，人为地附加些规范变换得到Lorentz不变的跃迁几率后，却发现动量空间的积分 发散，而且引力量子论中的这类无穷大竟有无限多种。可见，要相对论和量子论水 乳交溶是多么地困难。 将引力论(广义相对论)合并于量子场论的诸多理论中，超弦理论(Superstrings)颇 受当今理论物理学家的青睐。原因据霍金在《时间简史》中说主要有两个：早先流 行的超引力理论的有限性和弦理论可以解释内禀左旋性粒子的存在。 但这一理论有个令一些人(包括我自己)不舒服的结论：若要超弦理论自洽，时空不 能是我们日常感觉得到的四维，而应是十维或二十六维。我感到别扭是基于哲学和 美学上，我不太明白宇宙的构造缘何那么钟情于十。方程上导出个十维空间，多少 应该有著宇宙对十的特殊喜好的倾向，才能让大家和谐地接受宇宙的时空是十维的。 作为一个数学工作者，任何数字都是平等的。我们之所以常用十进制，很大原因是 人类有十个手指头。如果我们有三只手，每只手上仅有三个手指，毫无疑问，用九 进制是极为方便的。 将时空拓展的尝试似乎源于一种数学游戏。我这里并非是说黎曼几何等纯数学理论， 而是指试图对真实宇宙的度量。翻开教科书，我们知道，广义相对论的引力场方程 (爱因斯坦场方程)是建立在四维时空上的(比如场方程中的度规张量、曲率张量等)。 广义相对论提出不久，有位德国数学家Theodore Kaluza突发奇想：如果时空是五维 而非四维，会有着什么样的效应呢？结果很容易得出，五维的引力与四维的引力遵 循同样的定律。其实，这并不奇怪，经典力学中的Hamilton方程和电动力学中的Maxwell方 程都与空间维度没有关系。 于是时空被比喻成远方的一根水管或一爿桔子皮，看上去是一维的直线或二维的光 滑表面，走近了才能观测到是二维的管道或桔子皮面上坑坑洼洼的三维皱纹。那些 我们平常觉察不到的维度被卷曲得极小极小。可是为什么三维空间和一维时间被平 展开来能让我们感觉到呢？超弦论者搬出类似于进化论中自然选择的人择原理： “我们之所以看到宇宙是这个样子的，只是因为如果它不是这个样子，我们就不可 能在这里观测它。”空间少于三维或多于三维人类就不能存活，所以我们能感觉到 的空间只能是三维的。这点有些象用物竞天则来解释人类有双手十个手指，不如此 的话似乎总是不太方便的。 超弦论的基础是粒子的超对称性(Supersymmetry)假说。如前两节所说，粒子分为全 整数自旋粒子和半整数自旋粒子两大类，它们分别满足交换对称性和交换反对称性。 超对称性就是要将这两大类粒子融合于统一的数学体系中。这也是统一场论的主旨， 将所有构成原子的粒子以及传递粒子统一在通用的理论框架内。在超弦理论中，粒 子由时空中弦的波动代表，以不同种方式摆动的弦即代表不同的粒子；粒子的生成 与吸收，对应于弦的分解与合并。用弦理论描述引力(引力子对应的弦)，便可以将 引力论(广义相对论)纳入量子力学理论体系中去了。 与超弦理论类似，近年来有一种超膜理论，它需要十一维度的时空才能协调。 统一场论还不是个成熟的学说。超弦理论中，除了那个难看的多维空间外，它还能 导致时空中的某些量不收敛。不过，超弦论者坚信，这些无穷大最终可以在某些弦 的变体中被对消掉，但这仅仅是猜想，迄今还没有一套完善的理论对付那些无穷大。 超弦论的实验验证和证伪存在着极大的困难，由于那些额外维度的空间被卷曲得如 此之小，必需建造一个尺度大如银河系的粒子加速器才行。这是一个令人啼笑皆非 的沮丧结论，似乎意味着它和李洪志先生的“高层次空间”同样摸不着边际。然而， 物理学家们试图在大爆炸时期所留下的蛛丝马迹中寻找超弦理论的根据。某个大爆 炸模型认为，初期“暴胀”(inflation)阶段产生了一种叫作“宇宙弦”(cosmic strings) 的东西。有些论者因此得到灵感，断言最初的宇宙充满着的弦环，弦环旋转运动中 产生引力波，能量耗尽时，它们能象“种子”一样催生出星系星团；甚至有些论者 导出弦能够在初始宇宙的等离子体中“吹”出巨大的真空。今天，物理学家正努力 寻找这些宇宙初期的遗迹，以期象当年找到3K辐射背景而验证大爆炸理论那样证明 超弦理论的合理性。 (四)：黑洞---时空奇点 天体物理中的名词，大概以黑洞最为著名了，虽然到目前为止，黑洞还不过是个数 学模型和物理概念，观测到的那几个仅仅是比较“象”而已。但说黑洞家喻户晓并 不为过。平常一见数学公式头就晕的小资美眉，说起黑洞来可能会眉飞色舞呢： “那不就是质量大过临界值的恒星，坍缩得体积凭小，引力凭大，啥东西也逃不出 去，即便光也一样。就象男人见了漂亮女人那般的！” 现代黑洞理论，始于奥本海默，霍金是当下公认的权威。经霍金等理论物理学家的 努力，黑洞的数学模型方面的成果已是相当可观。恒星在热核演化时，会抛出大量 的物质。如果在其演化终点，质量仍未降到Chandrasekhar极限或Oppenheimer-Volkoff极 限以下，便会发生引力坍缩。黑洞是引力坍缩恒星受挤压而形成时空奇点(singularity： 度规张量中发散的点，多指时空曲率无穷大的点)的产物，在此奇点上，时间空间完 结。引力坍缩现象可以由引力场方程(爱因斯坦场方程)求得。上世纪六十年代末， 彭若斯(Penrose)和霍金(Hawking)用拓朴方法得出了一个引力坍缩的充分条件：在 广义相对论成立，能量的正定性，物质的遍在性，事件的因果律等一系列条件存在 的情况下，恒星一旦演化出所谓的“诱陷面”(一种二维闭合曲面，正交于该曲面指 向未来的零测地线外行族和内行族都是会聚的)，引力坍缩便无可避免。 黑洞内的逃逸速度大于光速，观测黑洞因此存在着极大的困难。一般的方法是通过 黑洞的引力场性质或者通过物质被吸进黑洞时放出的能量来了解黑洞的存在。比如 说找到一对双星，其中一个是潜在的黑洞，另一个是可见星体。黑洞吸收可见星体 的物质时，会释放出X射线。著名的天鹅座X-1就是这样被人认定是黑洞的。上世纪 七十年代中期，霍金发表了一个研究成果：若加入量子论，黑洞不是全黑的，它能 辐射出些许光子、中子和其他粒子。这个叫做“霍金辐射(Hawking radiation)”的 理论源于霍金本人的“视界边缘(即黑洞边界---时空中刚好不能从黑洞逃逸而永远 在边界上的光线路径)面积永不减小定理”，该定理被当时一名美国普林斯顿大学的 研究生伯肯斯坦(Bekenstein)诠释成熵增原理(即热力学第二定理)：黑洞视界边缘 就是黑洞熵的量度。霍金对这种随意解释很恼火，著文反驳，认为有了熵就一定有 温度，有了温度一定有辐射，这与通常的黑洞现象不符。但最终，加入了量子力学 测不准原理的黑洞数学模型所处理的结果表明，黑洞以刚好防止热力学第二定理被 违反的速率发射粒子。对此，霍金用量子理论解释说，粒子并非从黑洞内部逃逸出 来，而是虚粒子在黑洞边界附近不断产生；通常情况下，这类粒子以正反粒子对的 形式形成和湮灭，但在视界边缘处，可能湮灭前其中一个掉进黑洞，另一个逃逸出 来便产生了霍金辐射。 霍金辐射会导致黑洞蒸发。注意到辐射是由正反粒子分离造成的，因此辐射出去的 正能量等于落入黑洞的负能量。考虑爱因斯坦质能关系式，我们知道注入黑洞的负 能将减少黑洞的质量，这就推翻了“视界边缘面积永不减小定理”。但热力学第二 定理依然成立，因为辐射引起的能量交换使得黑洞并非是个孤立系统，换成几何语 言，先前的那个“面积不减”的数学公式仍旧成立：A=8π[M^2+M(M^2-a^2-Q^2)^(1/2)- Q^2/2]，其中a=J/M，M是质量，J是角动量，Q是电荷，取c=G=1的单位系，c是光速， G是万有引力常数。 黑洞蒸发会引起许多问题，其中一个是关于信息丢失的问题。这一问题引发了对热 力学、引力论、量子论中某些基本原理的质疑和思考。这里不作介绍了，事实上， 有没有霍金辐射，甚至有没有黑洞都成问题。 通常的黑洞模型由Schwarzschild度规(metric)导出。应用Schwarzschild度规的引 力场方程能够得到不少稀奇古怪的解，其中之一是推出一个从某种意义上来说可称 为“黑洞镜像”的数学模型---白洞。位于白洞内部的几何中心也是个奇点，球形白 洞的边缘也如黑洞般是以Schwarzschild半径为界的封闭几何面。但白洞的时间箭头 却与黑洞相反，白洞只能抛射出能量，却不能吸收，它的形成是黑洞形成在时间上 的反演。这种理论模型在上世纪八十年代前曾热过一阵，有人拿它来解释某些高能 天体现象，认为类星体的核心就是白洞。而今这个模型理论已经式微，可能是它过 于象个数学游戏，一些人从时间对称上考察黑洞，则黑洞白洞无甚区别；另一些人 干脆否定白洞的存在。有兴趣于白洞模型的可参看 J. Gribbin: "White Holes, cosmic gushers in the Universe"(1977) A. Krasinski: "Inhomogeneous Cosmological Models"(1997) S.W. Hawking & R. Penrose: "The Nature of Space and Time"(1996)。这本书内， 霍金和彭若斯认为黑洞白洞在计及量子效应后是等价的。 目前热门的有关Schwarzschild黑洞模型解的论题是一种唤做虫洞(wormhole)的时空 几何图形。虫洞，学名叫Einstein-Rosen bridge，是由Schwarzschild黑洞引起的 时空弯曲而形成的时空“漏斗”，它将两个不同的黑洞连接起来。如果宇宙比拟成 黑洞的话，那就是说，虫洞能串联起两个不同的宇宙或者一个宇宙的两个不同的时 空区域。科幻小说家为此乐不可支，这意味着时空旅行大有希望，甚至能回到过去 把他那还没结婚而又面目可憎的老爹一枪给崩了，虽然从理论上来说，穿越虫洞的 速度仍须大于光速。 我在下一节介绍“自然选择”时会单独讲一下虫洞，此处不赘。 对黑洞反复研究后，霍金将黑洞理论与宇宙大爆炸理论作了类比。早先他提出大爆 炸起始于一个时空奇点。但这个解说随之产生出不少疑问。大爆炸开始初期，密度 远大于任何一颗恒星，那时时空尺度上也应是个小于Schwarzschild半径(r=2GM/c^2)的 区域，可是为什么整个宇宙没有坍缩成为一个黑洞呢？答案是由Schwarzschild度规 导出的引力场方程是针对静态模型的，Schwarzschild半径是静态球体坍缩成黑洞的 临界值，它不适合于宇宙初期暴胀阶段的情形。而且，由引力场方程推得的宇宙大 爆炸模型的时空奇点在时间原点上，也就是说，大爆炸的奇点位于所有事件的过去， 可是黑洞奇点却位于未来。就这点来说，大爆炸更象白洞。不过，白洞的外部时空 由Schwarzschild度规描述，而大爆炸宇宙模型并不象白洞黑洞有个视界边缘，宇宙 的“外部时空”是没有意义的。因为时空没有定义，内外先后便无从谈起。 霍金后来放弃了大爆炸奇点的观点。据他的研究，引进量子论后，可以“抹平”那 个最初的奇点。如果这一切是正确的话，意义将是极其伟大的。因为这不仅在描述 宇宙起源和演化中将量子论和引力论(相对论)和谐地结合在一起，而且也回答了爱 因斯坦的疑问：“在制造宇宙时上帝有多少选择性？”若统一场论成立，宇宙的诞 生和发展为一套数学公式所左右，上帝便没有置啄余地！ (五)：开始之前---自然选择理论和Pre-big bang理论简介 自宇宙大爆炸理论出台后，各色各样的宇宙模型如臭水塘边上的蚊蝇般铺天盖地地 涌现出来；即使在理论物理的学术圈子里，也象肮脏油腻的厨房内蟑螂一样层出不 穷。传统时空观被打破，物理世界的神秘激发起人们的探索欲望。粗制滥造的科普 科幻更让某些对数学没有知觉的老兄欣喜若狂：你看人老爱，嗯？专利局的小职员， 不就是意识到光速不变？就第一科学家了都！同样难以验证的玩艺儿，凭什么说老 爱老霍是在搞科学，咱哥们弄的就不值一提呢？ 呵呵，不错，这一节介绍的东西，正如陈拴牛说的：“也没有多少根据！”可是， 我们不得不承认他们是在做科学研究，因为那些假说是建立在解决现实问题的基础 上，而不是凭空想象的数学游戏。 宇宙学的自然选择理论，是指宇宙并非是单一的，我们所处的宇宙，是经过不断生 成淘汰后形成的有比较“好”的物理量的，即最终能产生我们人类中的一个。Pre-Big bang理论是指大爆炸前也存在着时空。这两个假说似乎太过玄虚，如果它们还能称 为科学假说的话，必定有著产生这些假说的物理机制和现实要求。我着手写这一节 时，最主要的，也是最困难的，就是挖掘提出这两个假说的动机。 大凡宇宙模型，必须能够合理地解释现在已经观测到的各种现象。比如流行于一时 的，由Friedmann-Robertson-Walker(FRW)根据爱因斯坦引力场方程构造的模型，就 曾被物理学界视为标准的大爆炸演化模型。近年来，一些宇宙模型相较于FRW，作了 些改进。如今常用的理论模型中，揭示了宇宙早期历史上有个暴胀阶段，时空形成 后一秒钟，宇宙膨胀了约10的30次方倍，温度降至约100亿度。令人惊异的是：暴胀 期的膨胀率差不得一丁半点！若大爆炸后一秒钟时膨胀率小那么十亿亿分之一，宇 宙还没到达今天就已经坍缩成一个奇点了；若暴胀期膨胀率稍微大那么一点，物质 间距离就会散得太开，粒子将不可能凝聚成我们今天所看到的星体，也就是说，我 们人类和其他生命将不可能存在。大爆炸开始时的宇宙仅有普朗克尺度大小(这也是 所以应用量子论处理宇宙初始时期的原委)，如果不用暴胀模型，如上一节所述，宇 宙将会在极短的时间内坍缩成黑洞；更为重要的是，不用暴胀模型，将难以合理地 解释当初的时空曲率是如何演变成如今的时空曲率的。另外，我们这个宇宙中组成 原子核的质子与中子的匹配也是近乎完美的，只要质子和中子的质量之差与现今的 数值相差一些，核聚变反应链便会中断，那就意味着不能形成较重的元素，譬如氦 核，我们因此也就不可能存在。诸如此类的巧合，使得人们很容易想起达尔文的进 化学说，于是自然选择理论便应运而生了。 为了解释何以存在一个如我们今天看到的完美宇宙，八十年代，有位前苏联的科学 家林德(Andre Linde)提出一个可能的假设：我们所处的宇宙仅仅是众多宇宙中的 一个，由于宇宙在数量上十分庞大，所以概率上能产生如我们这般近乎完美的宇宙。 九十年代，这一观点发展成了宇宙自然选择理论。大爆炸后产生的宇宙，其中的物 理量可能决定了它的短命，于是它坍缩成黑洞。注意到黑洞有所谓的霍金辐射，最 终能够蒸发掉奇点并重新爆炸，形成一系列新的宇宙，新宇宙内的系统参数各不相 同，如此第二、第三代，代代相传。某些参数良好的系统会发生暴胀，从而存活下 来。由这类自然选择，生成了我们这样各方面很优秀的，有著人类生存条件的宇宙。 虫洞模型的得出，增强了自然选择原理的根据。虫洞是一种联结各个不同宇宙或黑 洞的管道，这种时空几何图案给予自然选择假说以证伪的希望，虽然这个希望实在 过于渺茫。 穿越虫洞，并非象科幻作家说得那么容易。理论上，它甚至是不可行的。首先，我 们并不知道黑洞内部的时空结构。对于非旋转的黑洞，穿越虫洞的速度必须大于光 速。对于旋转的或带电荷的黑洞，穿越虫洞的速度可以小于光速；可是当一般的物 质穿越虫洞时，漏斗状的虫洞咽喉会立刻关闭，要使虫洞咽喉保持开放，物质必须 处在非常奇特的形式下，至少是在不可测的度量内，譬如光线座标架内物质有个负 能密度，物质的这种状态是我们至今还没有发现过的。 早在1949年，德国数学家Kurt G□del得到一个爱因斯坦引力场方程的解，一个旋转 的宇宙模型。在这个解里，回到过去成为可能。但他用了个不切实际的边界条件， 而且旋转的宇宙也不为人所接受，因此当时并没有引起很大的注意。近些年来由黑 洞研究宇宙，这类解的问题又被重新提出，原因是量子宇宙学的兴起，理论物理学 家发现只要不违背因果律，量子力学测不准原理允许粒子或反粒子返回到过去。对 于那个著名的grandfather paradox(孙儿回到过去杀死祖父)的解释，也可归结到多 元时空，即把回到过去说成是旅行于不同的宇宙，不同宇宙间的事互不相关，不存 在前因后果。不过，这类解释还是过于牵强附会。在穿越虫洞的可行性问题没有解 决前，我们宁愿说回到过去是不太能够实现的。 最后谈一点 pre-big bang。 传统的，由广义相对论引力场方程构造的宇宙大爆炸数学模型，一般是说我们的时 间和空间起始于一个奇点上的爆炸，在宇宙诞生后短短不到一秒钟内，宇宙经历了 暴胀阶段(inflation)，之后，它以常规速度继续膨胀直至今天。从一个不具空间体 积的几何点上生成演化，宇宙在开始时一个极短的时间内，其空间尺度必定相若于 普朗克常数(h=6.626×10^-27尔格·秒)。这意味着，在这段时间内，应该用量子力 学理论代替爱因斯坦的相对论力学理论来处理宇宙。这也是物理学界迫切希望建立 统一场论的原因之一，将不相容的量子论和相对论和谐地统一起来。比较而言，超 弦理论是目下最好的统一场理论。 超弦理论是用弦的波动来描述粒子的。数年前，超弦论的首创者之一，意大利物理 学家Gabriele Veneziano将超弦论应用于宇宙起源，他于时间原点处作了一个关于 描述宇宙初期那些弦的时间反演，得到的时间镜象便是时间原点前的宇宙---原始宇 宙(Univers primitif)。随著负值时间的延长，原始宇宙越来越冷，越来越虚空， 最终它完全一致和均匀。 这个新版本的宇宙起源和演化的模型没有相对论中时空奇点的概念，它用波弦的高 度密集来描述时空坍塌，即黑洞现象。它加了个新粒子---膨胀子(dilation)，当然 也用弦表达，用以驱动时空的膨胀。引力子和膨胀子正好组成作用相反的一对对称 体，并且这种膨胀子在黑洞内部起着催生时空泡(bulle d'espace-temps)的作用。 象近三十年来探讨宇宙起源的常用理论一样，它也将黑洞的学说套用在宇宙模型的 塑造上。又冷又空虚的原始宇宙只有一滩滩的波弦，在这混沌状态中由于引力波和 膨胀波的启动，导致波弦的迭加混合，冒出了“时空泡”，时空泡可能有好多个， 有些早夭了，有些继续发育，其中一个“好”的时空泡逐渐变热生能，突然间快速 膨胀(对应于传统的大爆炸和暴胀时期)，接著以常规速度膨胀生成了我们今天的宇 宙。 之所以产生这一理论，一个原因是难以忍受那个时空奇点的假说，更重要的原因是 我们的宇宙在大尺度上高度地各向同性。除非有某种特殊性，譬如在上帝的捏合下 宇宙各区域以同样温度开始，这种高度的一致和均匀是传统宇宙模型所解释不通的。 上世纪八十年代Alan Guth提出的暴胀模型，相当合理地解释了宇宙大尺度上的各向 同性。但是该理论从暴胀过渡到正常膨胀却遇着了困难，找不到这种转变的机制。 为解决这一难点，Guth提出“时空泡泡”观点：时空泡各自膨胀和相互迭加，宇宙 变成新相。可是宇宙那时膨胀得太快，硬要时空泡膨胀的速度赶得上宇宙膨胀的速 度，似乎过于免强，而且会相互分离。这样，让宇宙等同于一个时空泡就成了顺理 成章的构想了。 Guth的时空泡概念提出后，Linde曾经给出了一个包含宇宙的时空泡，它能导致我们 今天的宇宙高度的一致性。霍金为这种思想所激动，但却遗憾这个时空泡尺度过大。 如今pre big bang理论指出宇宙就是时空泡，给人以豁然开朗的感觉。可见，即使 如霍金般隽智，要捅破一层纸也不容易。 希望从一个任意的，混沌的初始状态推导出我们现在所处的宇宙，就有了前面所说 的多元宇宙的模型和这里所说的超弦宇宙的模型。 最后强调一点：这个超弦宇宙模型似乎在时间原点处(传统大爆炸模型的时空奇点， 时空曲率在此处无穷大)仍有麻烦。在计算中这一点用非常强的热源代替。 是科学理论就必须能证伪。据发明者声称，原始宇宙应在今天的宇宙中留下痕迹， 发现这种特殊的引力波将成为以后天文学家的证伪任务。 关于这一节多元宇宙和pre-big bang的理论模型，见 (1).Alessandra Buonanno & Thibault Damour & Gabriele Veneziano. Nuclear Physics B543, March 1999. (2).Stephen Hawking & Neil Turok. Physics Letters B425 p.25-32 April 1998 Finita la Commedia Finita la Commedia。我们译作：杂耍表演结束了。 这个“统一场理论”的系列终于能告一段落了。：) 网上写有关科学的文章，没法详细叙述体系的理论结构，阐明科学家的动机和思路 就成为文章的要点了。这一节介绍的模型假说，不是为了解释宇宙在时间原点前是 什么样子的。传统的大爆炸理论在时空逻辑上是自洽的，我们的时间空间产生于奇 点上的爆炸，时间原点前和宇宙外的说法是毫无意义的，因为说“前”须相对于时 间，说“外”须相对于空间，不存在时间空间，则前后内外便没了着落了。所以， 这一节提出的模型仅是针对传统模型所解释不通的现象，而非空穴来风地想象一个 哲学命题。 还有许多论题可以写，不过我倦了，以后有兴趣时再说吧。我想，通过这一系列大 致上也有了当今前卫科学---宇宙论的脉络了。窥一斑以见全豹吧，如果有可能的话。 统一场论中，引我入胜的并非是那些超前的新式见解，而是贯穿于系统中数理逻辑 的严密性。没有数学理论的论文我是不看的，譬如上面列出的Martin Rees的“Before the Begining”，翻了一下，一句话都没印进脑袋里就扔了。看这类书感觉不踏实。 有些话也许有道理，譬如毛泽东坚信物质无限可分，但这话并不给人以启发。即使 以后发现夸克仍然能分，那个取其半以致无穷的说法仍旧没有意义。那些废话只是 研究人员懒得说而已，没有人因那些话开窍。反过来，有些理论虽已被证伪，譬如 玻尔的旧量子论，但这些理论在整个科学发展的过程中起过的作用是永不磨灭的。 统一场理论也是这样。或许统一场论中的某些希奇古怪的学说和模型只是更深刻的 理论的过渡，但它的价值是无可否认的。你如果也想涉足理论天文学，那就必须接 受数理训练。撒娇撒痴满腔委屈地控诉科学界不聆听你的伟大的见解是没有用的。 现代社会中，谁也没空，也没义务考查一大堆文字做就的思想。 真累！ “这些都是很好，但我们还不如去耕种自己的园地。” ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】
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