宇宙的M理论和11维空间问题,爱因斯坦30年都无法解开的谜题

2016-11-30 22:09

科学家曾以怀疑的眼光审视平行宇宙这一思想,因为它太神秘、太夸张和太 奇异了。任何敢于研究平行宇宙的科学家都会受到嘲笑和伤害他的事业生涯, 因为即便是现在也没有实验证据证明它们的存在。

M理论

但是,近年来潮流急剧改变,本星球杰出的思想家都在极为兴奋地探讨这一 课题。这种突然的转变是由于一个新的理论,“弦理论”的出现,它的最新版本 叫做“M理论”。该理论让我们不仅有可能揭示多元宇宙的性质,还让我们能 “解读上帝的心思”,正如爱因斯坦曾经雄辩地指出的那样。如果这一理论被证 明是正确的,这将代表过去2 000年自希腊人首先开始探索单一的、一致的和全 面的宇宙理论以来的物理学研究的最高成就。

关于弦理论和M理论所发表的论文数量是惊人的,有几万篇。关于这个课 题举办了几百次国际会议。世界上每一个主要的大学或者有一个小组在研究弦 理论,或者拼命地想认识它。尽管此理论不能用我们今天的薄弱的仪器来检测, 但它仍然激发了物理学家、数学家,甚至经验主义者的极大兴趣。他们希望能在 将来利用外层空间强大的引力波检测器和巨大的原子对撞机检测此理论的正 确性。

最终,这个理论可能回答自大爆炸理论提出以来一直困扰宇宙学家的问题: 在大爆炸之前发生了什么?

这要求我们运用物理学知识的全部力量,运用几个世纪以来所积累的每一 个物理发现。换句话说,我们需要一个“万物的理论”,一个包括驱动宇宙的各 种物理力的理论。爱因斯坦花费了他生命的最后30年追寻这种理论,但他最终 未能成功。

目前,能够解释控制宇宙力多样性的最重要的(和唯一的)理论是弦理论, 或者它的最近的化身M理论。(M代表“膜”,也包含“神秘”、“魔法”甚至“母 亲”的意思。尽管弦理论和M理论基本上是相同的,但M理论是一个更神秘的、 更完善的、统一各种弦理论的框架。)

爱因斯坦11维

自古希腊以来,哲学家就已推测:最终组成大块物质的可能是微小的叫做原 子的粒子。今天,用我们强大的原子对撞机和粒子加速器,我们已经能够将原子 分裂为电子和原子核,原子核又可分裂为更小的亚原子粒子。但是我们找不到 一个优雅的、简单的框架,从加速器发现的是几百个亚原子粒子,名字也很奇怪, 如:中微子、夸克、介子、轻子、强子、胶子、W玻色子,等等。很难相信,大自然在 它最基本的层次上会产生这么多令人糊涂的奇异的亚原子粒子群。

弦理论和M理论是根据一个简单的和美妙的思想,即构成宇宙的让人困惑 的各种亚原子粒子类似于可以在小提琴琴弦上演奏的音调,或在鼓膜上演奏的 鼓点。(“弦”和“膜”不是普通的弦和膜,它们存在于第10维和第11维超 空间。)

传统上,物理学家把电子看做是无限小的点粒子。这意味着物理学家不得 不为他们发现的几百种亚原子的每一个都引进不同的点粒子,结果造成十分混 乱的局面。但是根据弦理论,如果我们有一个超级显微镜能够探测到一个电子 的心脏,我们将会看到它根本不是点粒子,而是一个很小的振动的弦。只是因为 我们的仪器太粗糙,它才看上去是一个点粒子。

这些很小的弦依次以不同的频率振动和共鸣。如果我们拨动这个振动的 弦,那么它就会改变模式,变成另一个亚原子粒子,如夸克粒子。再把它拨动,它 又将转变成中微子。用这种方式,我们可以将众多的亚原子粒子解释为不是别 的,而是弦的不同的音调。我们现在可以将实验室看到的几百个亚原子用一个 单一的弦这个物体来代替。

用这个新的词汇,经过几千年的试验仔细构造的物理学定律不是别的,只是 人们为弦和膜书写的协调规律。化学定律是人们可以在这些弦上演奏的悦耳音 调。宇宙是弦的交响曲。爱因斯坦意味深长地所谱写的有关“上帝的心思”是 整个超空间的宇宙音乐共鸣。(这又产生了另一个问题:如果宇宙是弦的交响 曲,那么有作曲家吗?我在后面的第12章讨论这个问题。)

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