宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第42章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
炀酢Ｎ鹊拇笮》只厝环⑸谟钪娣浅Ｔ绲氖逼冢蟾旁�10…43秒左右。浴火重生理论的创始人认为，宇宙有一个天然的初始状态，即两个三维宇宙（叫做“膜世界”＇29＇）沿着额外的维度相互靠近。这两个宇宙的运动就像两个完全平行的能量箔相互靠近，最后撞在一起。它们相撞时会产生熊熊大火，继而发生反弹，回到膨胀的状态。人们认为，这样的碰撞和反弹并不会产生传统大爆炸模型面临的棘手问题，因为其中并没有产生温度、密度等物理量的无穷大，而且空间和时间的结构仍然是光滑的。碰撞释放的能量转化成了基本粒子，进而影响了宇宙的膨胀。人们希望这个理论所预言的膨胀速率恰好是临界值，而且宇宙的温度分布图之中会表现出微小的涨落，与人造卫星正在进行的探测相吻合。
这个大胆的理论能不能做出一些与暴胀理论不同的可观测的预言呢？这个理论自洽吗？这都是令创始人头疼的关键问题。这个理论可以只碰撞一次，将收缩转化为膨胀，也可以经历无数次的膨胀和收缩。＇30＇随着一个又一个周期的轮回，宇宙的总熵持续增加，但是你所能观测到的那部分宇宙中的熵并没有大得令人无法接受，因为在每一个周期里，早期急促的加速膨胀稀释了上一个周期中产生的熵。但是这个理论中也有一个与之前类似的问题，那就是随着一个又一个周期的轮回，长寿命的黑洞会逐渐积累，赶上下一次碰撞，并且每次发生收缩以后，都会造成各向异性在新一轮膨胀中急速增长。＇31＇
其他纯理论的高能物理机制也吸收了膜世界的部分设想，不过并不包括那毁天灭地的碰撞。在空间的另外一个维度中，离我们的宇宙非常近的地方也可能存在另一个三维的宇宙。如果其他的膜世界与我们发生相对运动，它就会改变现有的物理状态，产生可观测的效应：可能会改变传统的自然常数，也可能会激发宇宙的暴胀。不过，研究这种理论的主要动机并不在宇宙学。有人提出，引力相互作用在所有的空间维度中传播，而其余的强、弱和电磁相互作用则不是这样（图11。8）。这可能可以解释为什么引力比其他相互作用弱得多，甚至这还能解释为什么宇宙中的发光物体似乎比参与引力相互作用的物体少得多。从引力传播的距离来看，附近的膜世界可以离我们很近，但从光线传播的距离来看，又会是十分遥远，图11。9是这种情况的示意图。
图11。8 （a）电磁的、放射性的和原子核的相互作用被局限在了三维的膜世界之中，而引力则能够在空间的所有维度中传播。因此，引力比膜世界上的其他相互作用弱得多。（b）两个膜可以相互平行，仅仅相距不到 1 毫米，也可以紧贴着自己折叠起来。光线在折叠的膜空间中传播，而引力可以在高维空间中传播，并且能够穿过折叠的膜之间的“空隙”，这个距离要比沿着膜世界到达另一端的距离小得多，因此实际产生的引力效应要比“看”上去应该产生的强得多
图11。9 我们的宇宙可能处在一个膜上，和不远处另外一个膜保持平行。两个空间位于“块”空间的一个截面上
说起混沌的永恒暴胀宇宙模型时，默认的假设是，我们所在的这一片空间经历了巨大的暴胀，比可见宇宙的范围还要广阔得多。尽管这一点很不自然，但可能是正确的，因为如果暴胀的程度仅仅局限于能够解释我们所看到的东西，那么我们早就受到“隔壁宇宙”不同类型暴胀的影响了。如果真是这样，我们就会看到隔壁存在一个空间泡，并且对宇宙膨胀产生了影响。最终产生的主要影响是，我们会看到宇宙的膨胀变得扭曲了，微波背景辐射的各向同性也被破坏了。不过，如果外来的泡泡第一次和我们的空间发生接触，又会产生什么影响呢？人们对这个问题做了一些尝试，他们研究了一个空间泡经过蜻蜓点水式的接触之后，
图11。10 两个泡泡“宇宙”相撞以后，会在微波背景辐射中产生温度条纹
在我们宇宙的边缘留下的某种“疤痕”看起来是什么样子的。我们很可能看到天空中的微波背景辐射的温度谱中出现了一些条纹。＇32＇迈克尔·萨利姆模拟了这种效应，图11。10画出了微波背景辐射中的条纹。不过，这只是其中最简单的一种模型；如果情况更复杂，来犯的时空中可能存在相当不一样的物理机制（或者里面只有反物质），那么它同我们的时空泡接触时就会导致灾难性的后果。幸运的是，我们估计宇宙相撞的概率十分低，不过我们也一度认为小行星和彗星撞击地球的概率也很低。
光之死亡
不要温和地走进那良暮……愤怒吧，为光之死亡而愤怒。
——迪伦·托马斯（1914～1953，英国诗人）＇33＇
我们知道，在几种宇宙学模型中，传统的自然常数会随着时间变化，甚至还会随着地点变化。安迪·阿尔布雷希特、荣·马戈依卓＇34＇和我在1998年时提出了其中一种最为激进的模型。这个模型研究的是，如果早期宇宙的光速是可以变化的，又会产生什么影响。这种想法就像短暂的暴胀或者宇宙的加速膨胀一样，会导致一些非常有趣的现象。如果宇宙的甚早期存在一段光速不断降低的短暂时期，宇宙膨胀的速度就会趋近开放宇宙和闭合宇宙之间的临界值，而且磁单极子也会消失，不规则性会被抹平。＇35＇所有这些现象都令人非常满意，也为当初20世纪80年代宇宙学所面临的诸多问题提供了另一种解决方案。这个模型似乎还能降低宇宙学常数项的影响，而这是暴胀模型无法做到的。＇36＇
这种非典型的模型不要求今天的光速仍在发生变化。为了产生这些现象，光速的变化只需要像暴胀一样，在宇宙仅仅诞生10…35秒后的一瞬间完成。该模型所面临的挑战在于，它得想办法产生宇宙的密度涨落，这是星系形成的种子，而且所产生的涨落还要体现在微波背景辐射的各向异性之中。暴胀模型可以同时满足这两个要求，因此看起来很诱人。像这样的宇宙学模型，有人尝试用别的方法来产生涨落，不过这些都还需要进一步的研究。＇37＇
这种光速可以变化的理论被简称为VSL（varying speed of light）宇宙学。这说明宇宙学家变得多么开明，曾经被认为是神圣不可侵犯的基本常数，在他们看来也许是变化的。导致想法解放的原因之一是弦论，因为人们已经知道许多常数可以从弦论中算出来。从这些理论中得到的真空态体现出巨大的多样性，这意味着其中存在数不尽的自然常数的不同“套餐”，它们都会各自产生自洽的宇宙。这些常数看起来就像通常的事物一样，可以遍及所有类型的取值。如果宇宙从一个真空态演化到另一个真空态，这些常数的取值就会变化。自然常数在万事万物中的地位显著地降低了。另一种关于宇宙的新想法加速了人们态度的转变，进一步降低了“常数”的地位。这种想法要求我们跳出日常经验中的时空维度，在这个范围之外寻找真正的自然常数。
超宇宙
“先生，你是说，”彼得问道，“在这栋房屋里，譬如说，就在附近，到处都有可能有别的世界吗？”
“这是非常可能的，”教授说，他一边摘下眼镜擦擦干净，一边又自言自语，“我真不懂，这些孩子在学校里，到底学了些什么东西？”
——C。 S。刘易斯，《纳尼亚传奇：狮子、女巫和魔衣柜》①
① 摘自陈良廷的译本。——译者注
为了寻找一个新的万有理论，弦理论家做出了一个了不起的早期发现：只有当空间的维度超过我们日常生活所熟悉的三维时，这样的统一理论才是合理的。存在额外维度的想法会开启非常多的可能性。实际上，弦理论和更深层的“M…理论”还允许额外的时间维度。只有当空间和时间的总维度取到某些特殊值时，通常是十维或十一维②，这些理论才能存在。这往往意味着空间是九维或十维的，时间是一维的。然而，这些理论并不要求特定的空间和时间的维度比：如果时间是三维的，空间是七维或八维的，这些理论仍然能够存在。我们假设理论中的时间只有一维，是因为时间的维度超过一维，就会出现许多怪事：不稳定的粒子迅速衰变，能量消失，未来并非完全由现在决定，而现在也不能唯一地确定未来。这很奇怪，但在逻辑上并非不可能，在物理学中也并非不自洽。在一个存在二维时间的宇宙中，很可能无法演化出复杂的生命，不过，如果额外的时间维度非常短暂，就像额外的空间维度非常微小一样，也许就刚好没什么害处了。
② 五种不同的有对偶关系的弦理论要求时空维度是十维，M…理论要求十一维。
——译者注
也存在这样的可能性，这些逻辑上可能存在的宇宙拥有不同的空间和时间的维度比，并各自占据了一种弦景观里的可能真空态。暴胀产生的子宇宙可能拥有不同的时空维度比，在暴胀的过程中，也可能有不同数量的维度变大了。如果真的如此，最终我们发现自己生活在其中一个有三维空间和一维时间的子宇宙中。无论是哪种情况，时空维度比或是变大的维度的数量的选择，都可能完全是随机的，或者是由某种目前未知的机制决定的。
这些基础物理学的研究进展使得我们认真考虑额外维存在的可能性。其中最发人深省的一点是，我们周围叫做“宇宙”的三维空间，只不过是维度更高的世界的一个影子。打个比方，所有被我们称为“自然常数”的物理量，根本不是基本的物理量。真正的常数存在于九维或十维空间中，而我们只不过看到了其中部分常数在我们三维空间中的投影。因此，我们所说的“常数”甚至不必是固定不变的。如果额外的维度在摇动，或者尺寸在缓慢地变化，我们就会发现三维空间中的常数在以相同比率变化。这就是为什么人们对探测自然常数的变动产生了无比浓厚的兴趣，并为此开展了许多天文学观测和高精度的实验的原因。＇38＇甚至有越来越多的类星体观测数据表明，决定电磁相互作用强度的常数可能发生了微小的变化，在一百亿年间大约变化了百万分之几的大小。＇39＇传统自然常数的变动为探测额外维的存在提供了绝佳的机会。另外一些物理学家则希望通过分析大型强子对撞机（Large Hadron Collider）的运行结果，能够找到证据支持或否定另一个紧挨着我们的膜宇宙的存在。比如，进入膜宇宙的粒子会衰变，于是人们就会发现有一些能量从空间中神秘消失了。这些纯理论研究进展的最有趣之处在于，它们并不是天马行空无所限制，而是会根据粒子加速器、地面和太空望远镜的实验和观测数据作出相应的修正。
第12章
失控的宇宙
宇宙也许就像洛杉矶一样。
三分之一是物质，三分之二是能量。
——罗伯特·克尔什纳（Robert Kirshner，美国天文学家）＇1＇
最畅销的宇宙
神志正常的人认为自己不被所谓“终极问题”所困扰，而对日常柴米油盐更关心。他们为自己的这种能力感到骄傲，并且称之为分清主次，或者脚踏实地……
——希丽亚·格林（英国
