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科学证明宇宙是泡泡!
 
 

文图:网络      编辑:善缘

 

笔者按:用两天时间读完了霍金的《果壳中的宇宙》,很费脑力,因为要同时理解霍金所讲的概念,构造抽象的比喻,还要与佛法的世界观比对融合。如果没有佛法的宇宙观,读这本书就真成了探索而消失了方向。我是一口气读下来的,没有中断下来思考,也没有刻意的记录什么,现在来慢慢的整理一下:

有几点启发:

1、黑洞和全息技术(需要深入学习全息的知识),泡泡的边界,四维的投影。

2、膜理论,膜膜之间可以传递引力,不可以传递光(物质、电力),因为没有路径。

3、四维之外的维度,可能很小(卷曲着),可能很大(水中的气泡)。我觉得这本书的M理论,把宇宙的起源讲明白了,就是没有起源,因为一切粒子的不确定性。

4、时间的卷曲,虚时间对实时间的影响,没看懂(需要学习),请高人指点。

5、粒子可分为正粒子(释放的能量),与负粒子(减少的质量),E=mc2

 

有几点遗憾:

1、没有涉及“延迟实验”。

2、霍金对时间的概念不甚清楚,或是我没看懂。我觉得:时间只是度量物体(光)相对运动的过程。时空弯曲只是光的路径发生了变化。若要回到过去或是未来,必须先和这个世界分开再回来,即改变自己和这个世界的相对运动方式,o(_)o...想不明白,请高人指点。

3、霍金对物理世界的造诣很深,但是对生命科学并不了解,没有能将脑科学与量子力学的原理相结合,还是认为化学作用在支配着意识,可参考:脑科学的里程碑:用量子力学建立意识、脑与身体的模型

 

下面是这本书相关的科普读物,我看比原书讲的明白,o(_)o...哈哈!

 

轮椅中的霍金与果壳中的宇宙

 

  爱因斯坦注意到,德国数学家卡卢扎1919年曾证明了有一系列方程能把广义相对论与电磁理论统一起来,但宇宙需要5维时空。宇宙这额外的一维哪里来呢?他还注意到瑞典数学家克莱因在1926年曾提出一种观点,认为宇宙的那个额外维卷曲得太小,我们无法察觉到。爱因斯坦虽然觉得卡卢扎和克莱因的发现很重要,但在用于他的统一场理论时,总有一些零星问题不能解决,或者会得到一些滑稽的结果。

  在爱因斯坦还没有将引力和电磁力统一起来的时候,人们又发现了将原子核中质子和中子束缚在一起的强核力和弱核力。更糟的是,这两种基本力是由信使子传递的,这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。

  1955年爱因斯坦逝世后,他的统一场理论很少有人问津。人们将注意力转向了电磁力与弱核力的统一——量子场理论。

  20世纪60年代末,美国的温伯格和格拉肖、英国的萨拉姆找到了电磁力与弱核力统一的方程。电磁力和弱核力是统一的电弱力的不同方面。随后,他们的理论得到了证实。

  1973年,格拉肖发现了把电磁力、弱核力与强核力统一起来的数学公式,这就是“大统一场理论”。电磁力、弱核力和强核力是统一的“超力”的不同方面。
超力在宇宙大爆炸后分裂成电磁力、弱核力和强核力。但大统一场理论不包括引力。
 

    为了统一电磁理论、狭义相对论和量子理论,狄拉克等人早在20世纪20年代就建立了量子场论。但量子场论也不包括引力。为弥补这个不足,科学家们又建立了量子引力论,就是把广义相对论与量子理论统一起来。1967年,惠勒和德威特找到一个数学公式,成功地将广义相对论与量子理论结合起来了。但是,在这些尝试中,他们像爱因斯坦一样遇到数学问题,其中包括无穷大的问题。

  20世纪70年代初发现的“超对称理论”,又使科学家找到了把构成物质的粒子(费米子)与携带力的粒子(玻色子)统一起来的数学特性,即消除了亚原子粒子的差别,提供了把引力统一进来的线索。这就是“超引力理论”。
  1984年,约翰·施瓦茨和迈克尔·格林提出了“超弦理论”,指出把引力与其它力统一起来的唯一条件是,把粒子看成是弦,它们必须拥有超对称(超弦),并且存在于10维时空中。不过,超弦理论仍然没有反映全部情况,而且超弦理论有5种之多。

  在基本粒子物理学、量子力学取得了巨大成就的时候,霍金于1988年在他的畅销书《时间简史》中说,“可以谨慎乐观地说,我们对自然的终极规律的探索,现在也许接近了尾声。”

  1996年,威滕提出M理论,认为5种超弦理论只是M理论的不同侧面。如果超弦代表膜,则5种超弦理论仅仅是11维膜的边缘。因此,霍金认为,
M理论有可能成为人们追求的终极理论。
  
  
M理论
  1985年以后,物理学家开始意识到,弦理论中的“弦”,只不过是延展成多于1维的众多物族的一员。

  1994年以后,物理学家又知道一种描写强相互作用的闭弦理论与描写弱相互作用的开弦理论完全相同。对开弦理论的深入研究,特别集中于弦的边缘(即开弦的两个端点)可运动的空间。理论物理学家伦内特·赫伊斯佐恩在对这些边缘空间进行数学研究时,根据数学家狄利克雷的名字,将这些空间命名为“D-膜”。英国剑桥的数学和理论物理学家保罗·汤森对膜作了许多基本研究。他把由弦延展成多于1维的物体叫做“P-膜”(P表示维数)。一个P膜在P方向上有长度。这样,P=0的膜是点,P=1的膜就是弦,P=2的膜就是面,如此等等。而且,所有P-膜都是平等的。1996年,爱·威滕等人又发现,5种弦理论假设,实际上只是从不同侧面表述同一基本的11维假设。

    在把众多的假设汇集成一种假设的过程中,物理学家意识到,他们的方程所描述的宇宙,不仅是由弦,而且是由薄膜状的东西组成的。这种薄膜状的东西就是“P-膜”。由此便产生了“M理论”(含有“所有理论之母”的意思)。M理论认为,一维的弦可延展为2维的面,即“膜”;二维的膜则可卷曲成3维的圆环膜,乃至11维空间交错的膜。膜可以因量子起伏而自发地创生和消失。我们就生活在D-膜的边缘上,即四维时空的表面(即膜)上。我们的四维时空,可能仅仅是真实宇宙的很小一部分,它是一个围绕着多维时空的泡泡。剑桥大学的尼尔·图洛克等人认为,不同膜之间的碰撞,有可能引发像我们宇宙诞生时的大爆炸那样的爆炸。
      

  
    既然M理论认为宇宙是11维的,但为什么除了4 维时空外,我们没有感觉到其他维的存在?M理论认为,那是因为我们处在低能的状态下,电子和其它粒子只能在大维中运动,因而使我们感觉不到卷曲得很小很小的7个额外维,也就无法领略整个10维空间的风光。如果用具有极高能量的粒子进行探测,就会看到宇宙具有11维时空,就像肉眼看头发只是一条一维的线,而用高倍放大镜观察则能看到它的3维结构一样。在宇宙诞生早期的高温高能状态下,宇宙正是11维的,随着温度(能量)的下降,额外的7维才卷曲起来。霍金相信,大型强子对撞机有可能观察到卷曲得很小的额外维。

  在M理论中,
有人认为,我们的宇宙除了三个大的空间维以外,还可能有一个或更多的大的空间维,只是由于它们相当大,甚至无限大,在目前的条件下我们无法观察到它们罢了。
 

  霍金认为,这个思想具有巨大的优势,是我们寻找终极理论(或模型)的激动人心的新进展。为此,他在2001年将息论、宇宙多重历史理论和人择原理等结合起来,提出果壳中的宇宙理论。这是不是宇宙终极理论呢?
  2004年,霍金的思想来了个大转弯,宣布放弃终极理论,认为探索终极理论是徒劳无益的。当然,他并没有放弃果壳中的宇宙理论。
    
  
下面,举例说明《果壳中的宇宙》对宇宙难题的描述。
  宇宙的起源和膨胀。我们知道,在烧沸的水中会产生气泡。膜的量子创生有点像气泡在沸水中创生。这就是,不确定性原理允许膜世界作为泡泡从无中出现,膜形成泡泡的表面,内部则是高维空间。小泡泡倾向于再坍缩为无,两个泡泡可能因为碰撞而合并,宇宙大爆炸或许就是两个泡泡之间碰撞造成的。我们就生活在四维时空的泡泡上(宇宙的边缘上)。一个超过某一临界尺度的泡泡会继续长大,生活在膜上的智慧生命(如地球人类)就会觉察到星系在相互离开,宇宙在膨胀,而没有任何星系是膨胀的中心。
     
  
在我们膜世界中的一个黑洞会延展到额外维中去。如果黑洞很小,它就几乎是球形的。但是在膜上的巨大黑洞会在额外维中延展成一个饼状的黑洞。  
  在这里,有膜和泡泡两种模型,它们都是描述观测的数学模型。到底是使用膜还是使用泡泡,就看哪个更方便。

  果壳宇宙。根据宇宙无边界的设想,宇宙在虚时间中的历史像一个果壳。如果宇宙是4维时空构成的,则果壳中是空的。根据M理论,则果壳中被卷曲得很小的67维充满,我们生活在4维泡泡的表面上;如果有额外的大维,则只有56维被卷曲在果壳中,我们就生活在5维泡泡的表面上。


  人择原理与果壳宇宙。由于物质、电力等非引力的东西被限制在膜上而不能散发出去,这正是原子得以稳定的条件。原子稳定才能使星系和生命得以形成。人择原理说,宇宙必须适合于智慧生命,如果原子不稳定,我们便不能在此观察宇宙,并诘问它为何显得是4维的。
     
  
在膜世界场景中,由于引力传播入额外的维,行星可以围绕在影子膜上的暗质量公转
  
  一个在虚时间中表面完全光滑的果壳是泡泡最可能的历史,但是它在实时间中对应于以暴涨形式永远膨胀的膜(泡泡的表面),星系不能在这样的表面上形成,就不可能有智慧生命发展。而在虚时间中不那么光滑的果壳历史,虽然概率稍低,但它在实时间中对应的泡泡历史,首先有一个加速暴涨的相,然后缓慢下来。在这个减速过程中,星系能够形成,智慧生命能够发展。稍稍长毛的果壳宇宙,正是智慧生命从M理论允许的大量的宇宙中选择出来的膜模型。


  暗物质和影子人类。M理论认为,引力可以从膜上弥漫出去。这样,如果在邻近我们膜世界有一张额外的大膜,则它能防止引力向远处发散。这张邻近的额外大膜就是我们的“影子膜”(影子世界)。由于引力可以传播到影子膜上去,所以那里的恒星可以围绕影子星系中心公转、行星可以围绕暗质量公转。由于光被限制在膜上,所以我们看不到影子世界。但是,我们可以感觉到影子膜上物质的引力影响。这种引力影响在我们膜上真正是“暗的”。这或许就是我们宇宙中丢失的暗物质?在影子世界中或许还有影子人类,他们在解释恒星绕影子星系中心公转和行星绕暗质量公转时,也很想知道他们宇宙中下落不明的物质。

     


  


    全息学

  全息学把一个空间区域的信息编码到一个低一维的面上。一个黑洞的事件视界的面积是它的内部状态数的测度这一事实显示,全息原理似乎是引力的一个性质。在膜世界模型中,全息学是在我们四维世界的态和高维的态之间的一一对应。从实证主义的观点看,人们不能区分何种描述更为基本。
  
  能量守恒。根据M理论,膜上的运动物体产生的引力波可以从膜上弥漫出去。如果存在一张影子膜,引力波就会在我们膜和影子膜之间来回反射。但是,如果影子膜是高度弯曲的(如马鞍型),就不能将引力完全反射回来,特别是波长比其曲率半径短的引力波会完全逃逸出去。由于引力波会带走能量,这仅从我们膜来看,是违反能量守恒定律的,但从多维世界来看,只不过是能量发散得更开而已。


  黑洞辐射和消亡。黑洞发射的引力波会传播到额外维上去,并在我们维与额外维之间来回反射。因而,我们膜上的一个黑洞会延展成额外维上的一个黑洞。如果黑洞很小,则额外维上的黑洞是球形的,如果是巨型黑洞,则额外维的黑洞是饼状的。黑洞由于引力辐射而损失能量,它因此会慢慢蒸发,尺寸缩小。当它比马鞍型额外维的曲率半径还小时,它的引力波就会自由地逃逸而不再返回,在我们膜上就无法直接观测到黑洞的辐射,只有通过黑洞的质量损失间接地测量到。也许这正是我们迄今没有观测到黑洞激烈消亡时产生的伽玛射线的原因。


  黑洞的熵和全息界。熵本来是热力学中的概念,表示一个物理系统的无序程度。1948年美国应用数学家香农在设法量化一条消息所包含的信息量时,得出了一条与玻尔兹曼热力学熵类似的公式,于是便把熵的概念引进信息论。一条消息的熵,就是编码这条消息所需二进制位(即比特)的个数。黑洞的熵是黑洞内部状态(质量、旋转和电荷)数目的度量。1974年,霍金发现一个计算黑洞熵的简单公式,即黑洞的熵等于黑洞视界的面积。这说明,熵是一个系统中的总信息的测度。这就暗示,与三维世界中的所有现象相关联的信息,能被存储在它的二维边界上。这就是“全息原理”。
 

  物理系统所能容纳信息量的界限叫“全息界”。

  宇宙是幅全息图。我们都知道全息照相,它可以把3维图像记录在2维的胶片上,描述3维图景的所有信息,都被编码到2维胶片的明暗相间的图样上。以适当方式放映这些胶片,我们就可以看到3维图像。从M理论的观点来看,宇宙也是一幅全息图。

  如果宇宙是由4维时空组成的,我们就生活在4维时空泡泡上。根据M理论,
4维时空很可能就是5维时空(其余空间维卷曲得很小)宇宙的边缘。根据全息原理,在我们生活的膜(泡泡)上,应该负载着5维时空内发生的一切信息的密码。那么,应用适当技术,我们就可以了解多维宇宙的情况。

  根据全息原理,5维时空宇宙就是一幅画在其4维边界上的全息图像,4维时空的态与5维时空的态一一对应,两个宇宙是完全等效的。因此,生活在这些宇宙中的生物,将无法确定他们是栖息在一个由弦理论描述的5维时空中,还是生活在一个由量子场论描述的4维时空中。但是,由于全息等价,使得一个在某一时空中难以计算的问题,可以用另一种方式解决,如,4维时空中夸克和胶子特性的计算,可以转化为高度对称的5维时空中的简易计算。
  这些描述如果准确的话,它就是果壳中的宇宙的一幅侧影。

http://www.skylook.org/info/info/info_1794_2.html

 

 
 

果壳中的宇宙

 “果壳中的宇宙”典出莎士比亚的《哈姆雷特》。哈姆雷特在剧中吟唱道:即便把他关在果壳中,他仍然是无限空间之王。艺术和科学是息息相通的,莎翁和霍金本就是他们各自领域中的无限空间之王。宇宙学家霍金认为,整个宇宙是由一个高维果壳状的泡泡演化而来的,果壳上的皱纹(即量子扰动)在演化中产生了今天宇宙的所有结构。

  30多年来,世界上一批天才的头脑创建了一门叫做“弦论”的学科,其最新版本叫做M理论。弦论能解释所有已知的自然力强力、弱力、电磁力和引力,所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间(霍金认为维数应是10维或11维)中的1维客体,弦的概念可以进一步推广到p胚,后者是高维空间的p维客体。霍金认为,时空就是一张推广了的“膜”,不过这张膜不是2维的,而是4维的。物理学家为此创造了一个新词brane,尽管这个词已被使用了十多年,目前似乎尚未被牛津词典收入,在我国的一些学术文章中将它译为“胚”。当p等于零时,胚就是点粒子;当p等于1时,胚就是弦;当p等于2时,胚就是膜(menbrane);而在一般情况下,就称为胚,即高维的“膜”。

  人们常说,弦论是一门21世纪的数学,却不幸地早产于20世纪。所以,虽然人们已经讨论了弦论的许多性质,更知道它是一个真正了不起的理论,但要把弦论讲清楚实在不容易。弦论的基本假设是:不存在粒子,而只有弦在空间中运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。弦论假设只存在一种弦,而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦随时间运动时,它的轨迹不是一条线而是一根管子。两条弦还可以结合形成一条新弦,一条弦也可以分裂成两条。自然界中的一切相互作用,包括电子和光子的相互作用,都可以用弦的分裂和结合来解释。

  在研究的过程中,存在着五个不同种类的自洽弦理论,这与弦论追求一种单一理论的初衷相左。经过数年努力,物理学家终于找到解决问题的钥匙。尽管目前这一理论还未得到一个大家一致赞同的形式,但至少已为它起了一个名字:M理论。在M理论中,空间和时间以普朗克尺度为基本单位。普朗克尺度可以根据已知的基本原理来建立,普朗克长度为1033厘米,普朗克时间为1043秒。

  M理论中,时空是10维或者是11维的,为什么日常生活中所见的时空是4维的呢?霍金认为,存在着两种可能的解释:一可能是所有额外维的尺度非常小,甚至如普朗克尺度那样小,实在难以观察到;二可能是额外维的尺度相当大,甚至可达无穷大,只是在目前的观察条件下尚未观测到。

  霍金认为,“大的额外维是新理论探索中的激动人心的进展,它蕴涵着我们生活在一个胚世界中,一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’”中。强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚中,所以任何与引力不相关的物理问题就会和在4维时空中的一样。比如,支配构成人体的物理定律是描写电磁力的量子电动力学,所以胚世界的存在,并不会影响到人体的构造。与此相反,引力则会弥散到整个高维空间中去。也就是说,引力随距离的减少可能比以往的估计更快。

 

  如果引力的这种更快速减小可延伸至天文距离,就应该在行星轨道上觉察到这一效应。这样,行星轨道会是不稳定的:行星要么掉到太阳中去,要么逃逸到寒冷黑暗的星际空间中去。然而,若该额外维在离人类生活其上的胚不远的另一胚处终结的话,这种效应就不会发生。那么,对于超过两个胚相分离的距离,引力就会如上述像电磁力那样,不能自由地发散开去,而被有效地局限在胚上,并且减小的速率刚好适合于行星轨道。在实验室中精确地测量物体之间万有引力是一件十分艰难的工作,实验尚未探测出当胚的分离小于几毫米时它的效应。尽管理论家预言,在距离短于胚之间的分离距离时,引力会下降得更快速。但是实验研究者迄今缺少有效的手段进行测量,一旦在更短距离下的测量成功,就能鉴别人类所在的胚世界究竟是这样的,还是那样的。

  为了解释恒星绕着银心转动的速度,就必须假设存在着暗物质。恒星绕银心作缓慢的转动,大约2亿多年转动一周。银河系的形状像一个盘子,银心附近聚集着大量的恒星,银盘里包含了更多的气体、尘埃以及一些恒星。如果套用开普勒定律,银盘外部的恒星的运动速度应当比靠近银心的转得慢,但是观测结果并非如此,整个银盘内恒星的运动速度大致相同。所以,天文学家认为银河系中存在大量暗物质,它们中的大部分分布在银盘的外围,从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。对星系团内全部星系运动状况的研究也得出相同结论。

  对宇宙更大尺度结构的仔细研究也表明可能存在着暗物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。进一步考虑到宇宙年龄在1秒到3分钟之间的核反应及其宇宙轻元素的丰度,暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这就意味着暗物质应以中微子或类似于中微子(轴子、有质量弱相互作用粒子等)的形式出现,它们不带电荷因而不受电磁力、强力的影响。

  霍金认为,4维“膜”世界中,人类生活在一个胚中,邻近还有另一个“影子”胚。因为光被限制在胚中,不能传播到另一个胚,所以人类不能看到影子世界。但是人类会感觉到影子胚中的物质的引力影响。这种引力在人类所在的胚世界中会显示成一种“暗”源。检测“影子”胚的仅有办法是通过引力的途径。

  霍金说,弦、膜和胚“与宇宙中任何其他东西一样,都会有量子起伏。”这些量子起伏就使得胚这样一类客体会自发地创生和消失。这个过程很有一点像沸腾的水中蒸汽泡形成的过程。量子力学中的海森伯不确定性原理导致了胚从泡泡中创生。如果这个4维泡泡继续长大,那么生活在这个泡泡上的人就会感到宇宙正在膨胀。
 

  按照霍金的无边界设想,胚世界的自发创生有一段虚时间的历史。在这段历史中,宇宙像一个果壳:一个4维球面(不妨想像成是一个多了两维的核桃壳)。只是果壳是空的,在这胚世界图像中的4维果壳是满的:人类生活其中的胚在虚时间中的历史是一个4维球,它是一个5维泡泡的边界,而余下的5维或6维是卷曲的,并且卷得非常小。

  依照霍金的理论,胚在虚时间的历史将决定它在实时间的发展。高维泡泡在虚时间中产生一个完全光滑的球形的4维“果壳”的概率是最高的;然而,这又对应于在实时间内以暴胀方式永远膨胀的胚。星系不能在这种胚世界中形成,从而智慧生命也不会出现。然而,高维泡泡在虚时间中产生一个有点不光滑和偏离球形的4维“果壳”的概率虽然稍低一些,但是却能与实时间中的减速暴胀过程(胚在开始时有一个加速膨胀——暴胀的相,随后膨胀又缓慢下来)相对应。在这个减速暴胀过程中,星系可能形成,智慧生命也会出现。有趣的是,这些智慧生命将会创造一种宇宙理论,认识到他们来自于不那么光滑,也不那么圆的4维“膜”。

  随着霍金那根神奇的手指,游历了神奇的果壳中的宇宙之后,会有什么感想?果真每个人都是来自于神奇果壳中的生灵?!

 
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