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奇异的图像,自然的逻辑
奇异的图像,自然的逻辑 


  【本文介绍Penrose《宇宙的轮回》(Cycles of Time, An Extraordinary New View of the Universe ),发表在2014年4月号《新发现》(Science & View

 

彭罗斯的《宇宙的轮回》以科普的形式呈现一个新的理论构想,是一本与众不同的读物。多数科普读物写的是成熟的公认的科学发现和理论,而本书写的是还在萌芽中的思想,书中宣讲的“共形循环宇宙学”(CCC),眼下似乎还不太热闹,而它的意义也就在于给喜欢思想的读者带来思考的机会,让普通读者感受一个80岁的老思想者的探索的乐趣。

 

CCC是一幅无限循环的宇宙图景:我们的宇宙是无限多个相似的宇宙世代中的一个,它从一个大爆炸开始,接着是指数式的膨胀。我们宇宙的百多亿年前的那个“大爆炸”只是前一个世代的遥远未来的延续。“今世”的大爆炸与“前世”的无限远未来是“共形”的——也就是说,未来是起点的尺度的放大而已,它们的时空度规存在比例关系,比例因子就叫“共形因子”。CCC就是关于那个共性因子演化的理论。可见,这个理论其实很传统,发扬了爱因斯坦广义相对论的精神,算不上作者自嘲的“最疯狂”。

它的“疯狂”也许是“循环”带来的联想,令人想起凤凰涅槃,想起宗教的“轮回”。实际上,现代宇宙学的第一个模型(1922年的Friedmann模型)就是闭合循环的宇宙。除了宗教的意味,循环模式的最大困难是热力学第二定律——系统的熵不可能减小,因而不可能出现循环。过去人们为第二定律强加一个“封闭系统”的约束,说它不适用于整个宇宙,或者用某种哲学原理来“点化”物理学问题,都不能令人满意。CCC的美妙就在于它以数学方式自然解开了第二定律的循环怪圈,彭老说,他主要就是为了解决大爆炸和黑洞奇点的第二定律才大胆提出貌似疯狂的CCC的。

 

CCC源于彭老30多年前的“外尔(Weyl)曲率假设”(WCH):Weyl曲率在大爆炸奇点为零,而在黑洞奇点最大。在宇宙早期,没有物质聚集,空间是各向同性的,那是因为引力自由度被锁定了;当引力起作用后,熵开始增大——于是,Weyl张量的演化自然与熵的变化和热力学第二定律联系起来了,它描述的时间箭头,比霍金的无边界条件的理论更自然。

CCC也牵涉到很多基本问题。例如,它要求宇宙初期和末期都只有零质量的粒子,这一点很有争议。彭老一直不喜欢标准宇宙学的暴胀论,CCC认为暴胀不是发生在大爆炸之后,而是在大爆炸之前(即前一个世代的遥远未来)。“前世”暴胀前的不均匀性是动力学演化的,而标准模型的不均匀种子是随机的量子涨落生成的。因为这一点,CCC认为宇宙微波背景辐射(CMB)的涨落存在动力学的结构,它也预言了那个结构——就是彭老近年在CMB图像中发现的温度低涨落同心圈。CCC还为共形场赋予了一个暗物质的角色,而传统的暴胀论没有暗物质的位置。

 

CCC还赶上了时下的热点问题。霍金最近提出,黑洞不是“黑”的(不存在绝对的事件视界),而是“灰”的。原来,超弦专家波尔钦斯基(Polchinski)的小组在两年前发现,量子效应会将黑洞视界变成一个火圈,谁要自由落向黑洞,准会在那儿遇到一堵“火墙”。这个结果很可怕,与相对论矛盾,因为相对论认为自由下落者与静止观测者的物理是一样的(即等效原理)。于是问题来了:要么承认火墙的存在,相对论错了;要么承认信息丢失,量子论错了。霍金为调和量子论与相对论,便提出折中的“灰洞”说。彭老是相信信息丢失的,CCC需要黑洞完全蒸发,那样才能实现与大爆炸时空的共形。实际上,彭老不喜欢量子论,也不喜欢超弦。大家都期待着引力的量子化,而他一直在寻找量子论的极限,认为引力是量子世界与宏观世界的过渡。所以,他的思想有点儿“不入(主)流”,虽然关注的很多,但真正跟随他思想路线的似乎不多,所以,CCC似乎还不如火墙那边儿热闹。

 

但是我们也看到了,CCC是一个很漂亮的纲领。它从第二定律出发,用一个数学量构建了一个逻辑框架,形成一个自然的宇宙图景,还包容了众多基本的物理问题。虽然它不能解决那些问题,似乎还与某些解相互矛盾,却呈现了一个好纲领的样本。大数学家哈代(Hardy)说过,提出一个严肃的数学问题,其意义不在内容本身,也不在它的结果,而在它所联系的思想的重要。CCC的意义,正在于它以简单而自然的方式联系了宇宙学的基本问题。虽然它不像其他宇宙模型那么热闹(如“火宇宙”、“多重宇宙”),但显然比它们简洁美妙。

 

大物理学家萨斯金(Susskind)在看过波尔钦斯基的“火墙”论文后说,“第一反应是,它错了;第二反应,它是对的;第三反应,它错了;第四反应,它是对的。”我们可以抱同样的“多重反应”的态度来读CCC。在这样的著作面前,读者是与作者平等的思想者,甚至是他的判决者。也只有在读这样的书时才会有那么刺激和快乐的感觉。当然,对多数读者来说,也许更重要的是,这本小书展现了科学家的思维方式,特别是现代科学的成长方式。我们可以回顾一个概念近40年的演化,追随一个宇宙图景的形成,更可以欣赏它的逻辑路线和结构,追寻它牵连的物理。如果将彭老的CCC的形成与霍金40年来的黑洞理论的演进平行起来看,我们也许会发现更多的乐趣。






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来自:闲之寻味  > 阅览室
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