方永、南天紫云

道亦有道

[转载]一篇很通俗的超弦理论与十维空间科普文章
作者 vinoca 發布於 2011年07月6日

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虫洞理论、超弦与多维空间的基本知识

超弦理论认为,不存在粒子,只有弦在空间运动,各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用,所有的物质和能量,都可以用弦的分裂和结合来解释。

最为奇特的是,弦并不是在平常的三维空间运动,而是在我们无法想象的高维空间运动。我们过去关于空间的观念都是错误的,空间正在以一种陌生得令人惊讶的方式活动着。

超弦与多维空间

粒子的下面是什么?

众所周知,物质是由原子组成,而原子由原子核和电子组成,原子核又由质子和中子组成,质子和中子又由夸克组成。那么,夸克和电子又是由什么构成的呢?科学家发现,夸克和电子都不可再分了,似乎是没有内部结构的点粒子,因此把它们称为基本粒子。基本粒子是一切物质的基本单元,就像英语里的“字母”一样。

但是,已知的基本粒子并不仅仅是夸克和电子两种,而是多达数百种,而且,每一种基本粒子都有它们的反粒子。我们现在把所有的基本粒子分为三大类,通常称为 “族”:轻子族,包括电子、中微子等;夸克族,包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克这六种夸克和各自的反夸克;媒介粒子族,包括光子、胶子等。非常奇怪的是,除了夸克和电子外,大部分基本粒子都不组成更大的物质结构,例如,中微子总是在宇宙中独来独往,不与其它物质发生相互作用;媒介粒子则只在其它粒子间传递力的作用;还有很多粒子像介子、超子等都极不稳定,通常在极短时间内衰变成其它粒子。

我们知道,电子能像地球绕太阳旋转那样绕着原子核运动,但电子能不能也像地球那样进行自转呢?按理说,这是不可能的,因为物体在自转时,其转轴上有一个固定不动的中心点,电子既然是一个点状粒子,那它就不会有什么多余的“中心点”,它的自旋也就无从谈起。但科学家证实,电子仍然像地球那样,既公转,也自转,而且永远地以固定不变的速率旋转,这是电子自身固有的性质,称为“内禀自旋”。而且,所有的基本粒子都有与电子相同的自旋。

然而粒子的自旋与地球自转是不一样的,地球的自转是连续的,粒子的自旋则是间隔性的,也就是说,它的自旋是一跳一跳着进行的。

每一种粒子的所有成员都是相同的,我们不可能把两个电子或者中微子区别开来。而不同种类的粒子则有着明显的不同,其主要区别就在于它们的质量、电荷以及内禀自旋都各不相同。

这些基本粒子性质各不相同的原因是什么?它们为什么在不停地自旋?这些不同的粒子还能不能找到更深层的、统一的内部结构?这些问题长期以来都在困绕着科学家们。

为何有四种力?

进一步的问题就是,这么多不同种类的粒子是如何联系在一起的?假如宇宙是由很多微小的、相互间没有关系的物质微粒组成的,它们中的任何一个都是像被“隔离”的,那么,在这样的一个宇宙中,就会既无恒星,又无行星和生命,只是一个寂寞的、完全没有事件发生的微粒集合。

幸运的是,事实并非如此,宇宙中存在着各种类型的力,是它们把散沙般的基本粒子结合在一起,组成了各种各样的物质,并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力:引力、电磁力、强力和弱力。

这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引,两个有质量的物体间就存在引力,物体的质量越大,引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的,一个粒子可以带正电荷,或者带负电荷,同性电荷相斥,异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷,则不受电磁力的影响,不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克结合在一起的力,所以也叫核力。像电磁力一样,也起源于电荷,不过只是夸克间的电荷,物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应,像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。

四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说,假定以电磁力的强度为一个单位强度,则强力要比这个单位大出100倍,弱力只有 1/1000,引力小到几乎是可以忽略不计的:在微观世界中,它只有电磁力的1040分之一!从作用范围上来说,引力的作用范围是宇宙范围的;电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远,但实际上,大多数物体正负电荷相互抵消,其外部都呈电中性;而强力和弱力的作用范围则极小,只能在粒子范围内发生作用。

这四种强弱悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。

现在问题又来了:为什么有四种基本力?为什么不是五种、三种或者一种?这四种力为什么如此不同?为什么强力和弱力只能在微观尺度上发挥作用,而引力和电磁力却具有无限的作用范围?还有,为什么这些力的固有强度会有那么大的差别?

最后的问题是,所有这些力有没有一个共同的根基?如果有,它们为何又分裂了?

相对论与量子理论的矛盾

四种基本作用力的不同还导致了现代物理学两大支柱——相对论和量子理论——根深蒂固的矛盾。

爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论。我们前面说过,引力源于物体质量的相互吸引,物体的质量越大,引力越大。但为什么物体的质量会产生引力呢?引力为什么很微弱却又能在宏观范围内起作用呢?比如说,两个人、两块大石头之间的引力几乎就是零,只有像太阳、地球、月亮这样宇宙中的星体,才有明显的引力作用。

爱因斯坦把这个疑惑给解开了,他给出了一个出人意料却又合乎情理的解答:空间本身是有形状的,当没有任何物质或能量存在时,空间应该是平直光滑的,当一个大质量物体进入空间后,平直的空间就发生了弯曲凹陷,这就像一条拉得很平很直的床单上,当放进一个保龄球时,床单就凹陷下去,所谓引力就是因为这样的空间弯曲而导致的。地球在绕着太阳的轨道上运行,是因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”,这就是我们通常所说的太阳对地球的引力作用。两个人、两块大石头之间的引力几乎不存在的原因就是,这么小的质量使空间的弯曲几乎为零。因此,普通物体之间的引力作用是可以忽略不计的。

在这里,引力变成了漂亮的几何图景,引力本身并不存在,它只是空间的几何形变所引起的明显结果。引力的本质就这样被广义相对论圆满地解释了。

但空间的几何形变却解释不了其它三种力,电磁力、强力和弱力似乎都无法通过空间的褶皱来实现。爱因斯坦曾设想,所有的物质都是空间扭结和振动而形成,换句话说,我们看到的周围的一切,从树和云到天上的星星,都可能是一个幻觉,是某种形式的空间褶皱。若这种思想是正确的,另外三种力也必定与引力一样,是空间的几何形变所引起的必然结果,这样,四种力就统一到空间弯曲的几何学中了,空间弯曲的不同方式会造就不同的力。然而,在微观世界里,空间根本就不是平滑的,而是有无数的粒子在剧烈且永不停息地喧嚣,广义相对论的核心原理——光滑的空间几何概念,在这里被破坏殆尽。

对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为,在这个理论体系中,宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成,由于质量小到几近于零,这些粒子的运动轨迹变化莫测,毫无规律可循。在这里,力是由粒子的交换而来的,电磁力是由光子交换而来,弱力是由弱规范玻色子交换而来,强力是由胶子交换而来。例如,两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果,两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响,这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球,通过传球,两个人的运动状态都在受到影响。其它两种力的相互作用也是如此。

但是,因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的,而且,在微观世界里,粒子的自身质量不仅小到几乎没有,还总是在杂乱无章地运动,它们之间的引力从何谈起?因此,量子理论无法涵盖引力。

广义相对论与量子理论不能统一,成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信,在宇宙的微观层面和宏观层面,居然不是一个统一连贯的整体,我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。为了能让两个理论协调起来,物理学家做过大量的尝试,他们以这样那样的方法,要么修正广义相对论,要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人,但结果却一个跟着一个失败。

终于,超弦理论来了。

粒子怎样变成弦?

一连串的疑惑不得不使科学家认真考虑:也许在基本粒子内部存在一种更深层的结构,这种结构尚未被我们所理解。自20世纪60年代以来,在科学家孜孜不倦地努力下,一个新的理论逐渐浮出水面,这就是超弦理论。超弦理论认为,在每一个基本粒子内部,都有一根细细的线在振动,就像小提琴琴弦的振动一样,因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。

拨动吉他一根弦,你会听到一个音。拨动另一根弦,你会听到另一个不同的音调,因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通过一个吉他的六弦合奏,使这些弦在不同频率振动,便可创造出无数美妙的音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样,粒子内部的弦也有不同的振动模式,只不过这种弦的振动不是产生什么音乐,而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定,电子是以某种方式振动的弦,上夸克又是以另一种方式振动的弦,如此等等。

弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈,粒子的能量就越大;振动越轻柔,粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象:当我们用力拨动琴弦时,振动会很剧烈;轻轻拨动它时,振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理,能量和质量像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现:大能量意味着大质量,小能量意味着小质量。因此,振动较剧烈的粒子质量较大,反之,振动较轻柔的粒子则质量较小。

依照弦理论,每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成,而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙,就像一支伟大的交响曲。

在量子理论中,每一个粒子还具有波的特性,这就是波粒二象性。现在我们明白了,粒子的波动性就是由弦的振动产生的。

以前,我们想象所有的物质粒子都是点状的东西,没有空间大小。但现在我们明白了,那一个个点粒子其实并不是一个个实体的点,而是包含有一片片更微小的空间结构,这样的空间结构的振动乍看起来像是一个个点,是因为我们目前还没有更精微的探测技术。

物理学家还发现,弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间,一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。

弦如何运动?

弦本身很简单,只是一根极微小的线,弦可以闭合成圈(闭弦),也可以打开像头发(开弦)。一根弦还能分解成更细小的弦,也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如,一根开弦可以分裂成两根小的开弦;也可以形成一根开弦和一根闭弦;一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦;两根弦碰撞可以产生两个新的弦。

但是当一根弦在时空中移动时,它就没那么简单了。弦的运动是如此的复杂,以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹,必须有高达十维的空间才能满足它的运动(十维空间是数学方程计算的结果)。就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成,而必须在三维空间中完成一样。

点粒子内部的空间不是三维的,可能还有很多维,这似乎非常不可思议,不过,认真想起来,高维空间的存在完全是合理的。为了看清这一点,我们可以举一个水管的例子。我们知道,水管的表面是二维的,但是当我们从远处看它时,它却像是一维的直线。这是为什么呢?原来,水管的那两维很不一样,沿着管子伸展方向的一维很长,容易看到;而容易绕着管子的那一个圆圈维很短,“卷缩起来了”,不容易发现。你必须走近水管,才能看清绕着圆圈的那一维。

这个例子表明了空间维度的一个微妙而又重要的特征:空间维有两种。它可能很大延伸得很远,能直接显露出来;它也可能很小,卷缩了,很难看出来。水管比较粗大,绕着管子的那一维很容易就看到。假如管子很细——像一根头发丝或毛细管那样细,要看那卷缩的维可就不那么容易了。

在最微小的尺度上,科学家业已证明,我们宇宙的空间结构既有延展的维,也有卷缩的维。就是说,我们的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的维 ——我们寻常经历的三维,也有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧卷缩在一个微小的空间,即使用我们最精密的仪器也根本不能探测它们。

那些看不见的维可能会有多小呢?我们最先进的仪器能探测到百亿亿分之一米的结构,如果那些维度卷缩得比这个尺度还小,我们就看不见了。科学家的计算表明,卷缩的维可能小到普朗克长度(即10-33厘米),是目前的实验远远不可能达到的。

为什么需要多维空间?

理解了宇宙的空间有更多维存在,再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的,我们就很容易理解了:这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的,它们的矛盾是必然的,只有在高维空间里才能得到统一。

为了更好地理解这一点,我们可以举一个三维世界和二维世界的例子。我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命,它们的世界里只有长和宽,根本无法理解第三维——“高”这一维。因此,它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影,或者三维物体与平面世界的接触面,试想一想,一个平面生命怎么能够通过投影来想象三维物体的丰富性和完整性呢?当三维物体与平面世界接触时,三维物体在平面世界上的零碎片段,比如一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印,更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢?它们不能想象,四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子呢?那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢?而且,鞋的上面竟然还有一个更加完整的人!用二维的眼光来打量这些碎片,你永远不可能将它们拼成一个整体。

于是有一天,一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它宣布,平面世界之外还有一个“向上”的第三维,如果顺着这些碎片“向上”看,其实碎片是一个完整的整体!这真是个惊人的见解,大多数平面生命都困惑不解。

相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似,在我们的三维空间里,它们就像两块互不相干的碎片,永远也拼合不到一起。但把空间“向上”抬一抬,把宇宙变为十维空间,相对论和量子理论这两块看似互不相干的碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝,成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱!虽然我们在三维空间中无法想象和描述一个多维的空间,但我们却能通过复杂的数学方程推导出它的存在。

多维空间如何裂开?

在宇宙的极早期,它诞生的10-43秒内,它的直径仅有10-33厘米,含有丰富的十维空间,所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那样的空间中,宇宙的能量极高、温度极高,所有四种力都融为一体,相对论和量子理论可以归结为一个理论。

但是,这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的,就像胀气太多的气球,于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来,逐渐形成了我们今天可感知的宇宙;而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度(即10-33厘米)以内。

当宇宙处在1032K这样极高的温度(这温度比我们得到的太阳的温度高1026倍)时,引力与其他大统一力分离开来,引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力,。随着宇宙进一步胀大和冷却,其它三种力也开始破裂,强相互作用力和弱—电力剥离开来。

当宇宙产生10-9秒之后,它的温度降低到了1015K,这时弱—电力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度,所有四种力都已相互分离,宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后,随着宇宙进一步冷却,夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后,稳定的原子核开始形成。

当大爆炸发生30万年后,最早的原子问世。宇宙的温度降至3000K,氢原子可以形成,其不至于由碰撞而破裂。此时,宇宙终于变得透明,光可以传播数光年而不被吸收。

在大爆炸发生100至200亿年后的今天,宇宙惊人的不对称,破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却至3K,这已接近绝对零度。

这就是宇宙的演变史,随着宇宙的渐渐冷却,力将解除相互的纠缠,逐步分离出来。首先引力破裂出来,然后强相互作用力,接着弱力,最后只有电磁力保持不破缺。

空间中的裂缝

超弦理论还给我们带来一个更加令人震惊的结果:我们的空间结构居然是离散的,而不是连续的!在我们的日常经验中,空间和时间总是无限可分的,但事实却大谬不然。空间和时间都有自己的最小值:空间的最小尺度为10-33厘米,时间的最小值是10-43秒。因为当空间小到10-33厘米后,时间和空间就会融为一体,空间维度就会高达十维,在这样的情况下,即使空间还能分割,那也是我们目前所不能了解的了。

事实上,量子理论就是关于“离散的量”理论,“量子”一词的含意就是“一个量”或“一个离散的量”。

早在1900年,量子理论刚诞生时,科学家们就发现,在微小的粒子世界,能量是一份一份发出的,而不是连续发出的。就像人民币的最小单位是“分”,乒乓球只能一个一个地买,而不能半个半个地买,这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。

虽然当时科学家已经知道了粒子能量的不连续性,但他们却不知道为何有这种不连续性,只是被迫接受而已。

但现在我们都知道了,这与空间的不连续性密切相关。正是由于空间有最小的、不可分割的单位,才会影响到基本粒子的能量发射方式。

现在,我们基于时间和空间是连续的旧理论必须被抛弃,在普朗克尺度下,弦是一段一段的,开弦就是一段线,闭弦就是一个圆圈,每一个弦片携带的都是一份一份的动量和能量。

空间具有一个最小的、不可分割的值,这个不可思议的现象会导致什么样的结果呢?我们很容易想到:我们宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来,在这一份份的空间包中间,极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝!所谓“虫洞理论”中在空间中凿开一个洞口的设想,从理论上来说真的是可行的,这就是寻找相邻空间包之间的裂缝,然后用难以想象的高能量轰开这个裂缝,一个虫洞就出现了!可以说,小小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角落,只要我们有足够的能量,我们可以在任何地方凿开一个虫洞。

大统一的宇宙

今天,我们深深知道,浩瀚宇宙中所有纷繁复杂的现象都可以追溯到同一个源头,人类发现的大大小小的规律最终都可以被一个根本的规律所囊括。为了理解这一点,我们以地球生命的发展为例:我们人类不同的人种都可以追溯到同一个起源,而人、猩猩、猿猴又可以追溯到同一个祖先,以此类推,所有的哺乳动物都拥有相同的祖先,所有的动植物也都拥有相同的祖先,最后,所有的生命都起源于同一个细胞——生命只有一个源头。

宇宙中所有星系的起源也同样能够追溯到同一个源头,太阳系中的星体都起源于同一个星云,所有的星云都起源于相同的分子,所有的分子都由那几百种基本粒子演变而来。这样,顺着时间之流一直向上溯源,我们终于来到了大爆炸开始的时刻,在这里,空间、时间和物质都是融为一体的,一切都归结为一点。

宇宙从同一点出发,经过了100多亿年的漫长岁月,进化出一个复杂多变的世界,但不管这个世界是如何千变万化,在所有现象的背后,都有一个最根本的规律在运行,这就是宇宙起点时的源头规律。这个规律就是一个包罗万象的规律——所谓“万物至理”即是如此。

这个“万物至理”的理论就是超弦理论,它建构了宇宙开始时刻的十维空间图象,随着十维空间的崩裂,超弦理论也分裂成两个理论——相对论和量子理论,此后,随着物质丰富性的增加,它们又分裂成更多的理论。

今天,我们不断向上回溯,终于描绘出了宇宙大统一的图景——一个极具神秘色彩的十维宇宙。

(完)