宇宙的外面是何处

来源 :科学24小时 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuxing20090113
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  我们的宇宙有边吗?在无限长的时间中,难道就只有这个空域,爆炸出我们这个宇宙吗?从逻辑上推理,应该有无数的宇宙与我们为邻。物理学界梦寐以求的万物论,能解释宇宙万物和我们自身。
  真是所谓大智若愚,一只成熟了的苹果从树上掉下来,从没有人对此产生疑问,唯独大物理学家牛顿对此却百思不解。最终他悟出了万有引力定律,并提出了引力公式。牛顿的力学体系(包括引力)至今还在应用。无疑,这意味着物理学与天体、宇宙等有着千丝万缕的关系。但是牛顿所处的时代,人类的知识积累还不足以产生科学的宇宙论。在牛顿看来,这个宇宙一定是静态的,即过去是这样,现在和将来也还是这样。那么这个宇宙是无限的还是有限的?这个问题一直让牛顿陷入困惑之中。牛顿说:“我站在宇宙的边上,然后伸出手臂,再跨出一步,站在手臂伸出之处,如此一直下去……那么它岂非无限的吗?若它是无限的,那么它所包含的热量,早该耗散得无影无踪了,怎么还含有太阳,且还有生命?”
  300年过去了,1910年爱因斯坦的广义相对论问世。这是一个普适性的引力理论。牛顿的引力理论,只是相对论中的一个特例。物理学家终于在相对论的基础上产生了大爆炸宇宙论。到了20世纪60年代,它获得了三个重要的天文观测支持;以后,又获得了“暴胀论”的补充。这样,它就成为当今宇宙学的主流思想。
  那么,我们的宇宙有边吗?宇宙学家说,约在140亿年之前,空间中一个无限高密、高温的点突然爆炸,能量和物质井喷而出,空间随之膨胀,温度也逐渐冷却,迄今已降至3K(K为绝对温度,0K对应为-273℃)。由于物质的引力吸引,故空间膨胀的速度将日益减小。由此可知,这是一个动态宇宙,当然无边可谈。
   1988年,宇宙学界有了一个大突破,它不是来自理论,而是出于观测。原来我们的宇宙膨胀,不是像一些理论家所预言的那样,其膨胀的速度在加快!那么,是什么东西在推动它呢?原来在真空空间中还有一种密度很低的能量,即所谓的暗能量(或称宇宙学常数),具有斥力,但其特性迄今尚未彻底搞清。
  现在再让我们回到宇宙诞生的问题上。空间既然如此地真空,那它怎么会无中生有呢?理论家用最小(量子)解释了最大(宇宙)。研究微观粒子性质的量子论认为,真空空间平均来说,是一无所有的真空,可是真空中随时、随地都有粒子(或能量)涌出,又瞬间回到真空,这就是所谓的量子起伏(它有多种形式)。若粒子涌出时,正好碰上了暴胀这个“接生婆”,极高密度的物质就喷涌而出,变成了我们的物质世界。
  在无限长的时间中,难道就只有这个空域,爆炸出我们这个宇宙吗?从逻辑上推理,应该有无数的宇宙与我们为邻。这一多宇宙思想最初仅是少数理论的推论,但随着暗能量的被发现,以及一个被称为弦论理论的进展,这一理论开始被许多人看好,认为它可能成为物理学界梦寐以求的万物论,能解释宇宙万物和我们自身。
  20世纪早期,天文界曾把银河系视作整个宇宙,今天知道,在我们的宇宙中包含着2000亿个星系。而今科学界又跨出一大步,原来我们的宇宙只不过是宇宙系中的一个小点。
  俄国物理学家A·林德是多宇宙论的支持者,20世纪80年代,他发展了暴胀思想。他说,在大爆炸创生后不到一秒钟的时间内,宇宙经历了一个指数级的极高速膨胀(即暴胀)时期。暴胀成功地解释了为何宇宙从各个方向看去是十分一致的,为何时空是如此“扁平”,而按爱因斯坦的看法,它应该是弯曲的。
  林德认识到,暴胀或许是偶然的,也可能是“永远”的。因此,一旦时空开始暴胀,它可能在某个区域(诸如我们宇宙)停下来,而在别处重新启动更猛烈的暴胀,这种过程将持续到无限,从而拼凑出一个具有不同特性区域的时空。在某一区域,暴胀在何时和如何停止,这两点决定了那里的基本粒子的确切类型和特性,以及控制它们行为的物理定律。另一方面,弦论预言,永恒的暴胀将产生各种可能类型的宇宙。
  暗能量被发现后,物理学家希望从这个最原始的东西中推断出我们宇宙中基本物质(如电子)的性质,以及解释为何物理定律是这样的,且正好适合于恒星、星系的形成,甚至生命的出现。可是事情并非如此。
  若我们的宇宙是多宇宙世界中的一员,那么我们可能会把宇宙的各种特性(诸如电子质量)归诸于一个偶然性,而我们碰巧生活在一个适于生命存在的地方。
  由于弦论也是支持多宇宙论的。弦论与传统物理理论大不一样,它认为空间有十维,而所有的物质粒子和自然力(电磁力、引力、强和弱力),皆处于甚细弦的震动。我们迄今并未见到过额外的六维,它们必是卷缩起来,小到探测不到的程度。几十年来,科学家一直在研究究竟有多少种不同的时空类型,结果令人惊讶,竟有10500个以上的类型。
  每一种类型皆给出不同的时空真空特性,因此不同的宇宙有自己的真空能(即暗能量)、基本粒子和物理定律。一些研究者期望,有某种唯一性的原理能把我们宇宙从无数的宇宙中挑出。可是这种期望变得日益渺茫。斯坦福大学的A·塞斯根等人研究了弦论后说,时空的所有理论类型都应为真实物理实体,也即无数的宇宙,塞氏为了便于描述大量的宇宙,即把它们称之“弦论的景色”。
  塞氏说,“唯一性”已经被抛弃。也许我们永远也无法解释,为何我们的宇宙是这个模样。但我们并非无所作为,我们可在多宇宙论的范围内提出有意义的问题,诸如,能否在“景色”中指认出,对应为我们宇宙的那个点;同样,我们是否能从“景色”中找到永恒暴胀的起因。
  这些绝不是繁琐的小事,这是弦论理论家面对的挑战。可是10500这数字是个什么概念,著名物理学家温伯格说,我们宇宙中的原子数目还没有这么多!
  最重要的突破是已研发出“景色”的数字模型,它把“景色”描绘成峰和各种地形,在这里,它们各代表一个具有自己特性(诸如电子质量、引力场等)的空域。
  一个宇宙如何按照这一地形来演进,这就是该模型要说的事态。当一个宇宙从时空的一个斑点暴胀,这个婴儿宇宙充满了伤,若暴胀条件已成熟,他即暴胀,该斑点急速长大,并改变其原有的性质。
  按照“景色”模型,婴儿宇宙始于一个谷,受量子起伏而使整个宇宙(此时还很小)通过邻近的峰,最终止于不同特性的其他的谷。宇宙从这一谷到那一谷,这一进程将持续着,直至一个可使暴胀走完全程的稳定区域。
  这个模型可归结为一个结论,即“景色”中具有永恒暴胀。而在林德的暴胀理论中,宇宙的暴胀始于高能量密度,随着时空的迅速膨胀,能量密度随之下降。我们的探索是要在10500个宇宙中找出跟林德的暴胀要素相匹配的那个时空形态。这岂非开玩笑吗?科学界一直来认为这是做不到的。但最近出现了希望,斯坦福大学的A·惠斯胱泛等人,指认出景色中有一个区域适合林德的暴胀。
  但又如何证明,这一发现是正确的呢?关键是实验,这不仅是对惠氏而言,而且对任何理论皆如此。前面谈到,大爆炸理论得到三个天文观测的支持,其中的一个被认为是3K微波背景辐射中留下的记印,且是可测到的。欧洲空间局的普朗克卫星就为此而发,相信不久,它将会探测到具有结论性的结果。
   再说弦论也预言多宇宙世界,遗憾的是,这些预言皆处在试验的(能量)范围之外。但弦论的一个关键性质,可能不久即可被验证:弦论认为宇宙具有所谓超对称性,这意味着,每一个已知基本粒子,都有一个更重要的超对称伙伴粒子,可是迄今没有人见到过。物理学界希望在大型弦子对撞机中找到这些伙伴粒子。该机建造在日内瓦附近的欧洲核子研究中心,它为我们增添了一个人工验证的手段。
   我们生活在一个知识爆发性的时代。笔者认为,这是我们的幸运,我们将见识到从未见到过的事物,并将见证一系列重大发现,无疑,这将大大丰富人类的精神生活。
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