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超弦与多维空间理论
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要认知多维空间就必须先搞清楚什么是“超弦理论”？ 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。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。 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。 这里又涉及到了四种基本力。 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。 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。 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。 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！在本书中，我也将时间归纳为离散的，而否定它传统意义上的线形。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。在本书中依照此定律出现了一个十二维空间，而空间调查局便是设在此处了。 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！ |
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