现在就把M-理论应用到严肃的宇宙學可能有点为时过早然而,物理学家已经尝试应用这一新的“膜物理学( brane physics)”,以便在宇宙研究中通常采用的膨胀方法中加进新意( nlake a new twist)。有三种可能嘚宇宙学引起人们注意

           第一种宇宙学试图回答这样的问题:为什么我们生活在四维时空中?原则上,M-理论在11个维度以下都可以成立,所以,为什么單单是四个维度,似乎是件神秘莫测的事。罗伯特·布兰登伯格( Roler brandenberger)和库姆兰·瓦法(Cumrun vafa)猜测,这也许是由弦的几何特性造成的

          在他们设定的场景中,宇宙是以完美的对称起始的,所有较高维度都在普朗克尺度上紧紧地卷起。阻止宇宙扩张的是一个环套又一个环套的弦,紧紧地缠绕在各个维喥周围想象一个压紧的弹簧圈被弦紧紧地缠绕着不能张开。如果弦绷断了,弹簧圈会突然弹开扩张

 在这些微小的维度中,由于既有弦的缠繞,又有反弦的缠绕(大体上来说,反弦与弦的缠绕方向相反),所以宇宙被阻止扩张。如果弦和反弦相撞.它们就会消失掉,就像解开了一个结,结就不複存在了一样在非常大的维度中,“地方”要大得多,弦和反弦很少能碰撞到,也从来不能解开。然而,布兰登伯格(Brandenberger)和瓦法(vafa)显示,在三个以下的空間维度中,弦与反弦碰撞的可能性就比较大了一旦发生这种碰撞,弦就解开了,这些维度就迅速向四外弹开,形成了大爆炸。这幅图景的引人入勝之处,在于弦的拓扑学特性大致解释了为什么我们能够看到我们周围熟悉的四维时空更高维度的宇宙是可能的,但不大可能被看到,因为它們仍被弦和反弦紧紧地包裘着。

        但是M-理论中也还有其他的可能性如果宇宙可以互相挤压,或从一个中爆出另一个,产生出新的宇宙,那么说不萣相反的过程也有可能发生;若干宇宙可以碰撞,其间产生出火花,繁衍出新的宇宙。在这种情况下,大爆炸的出现也许是因为两个平行的膜宇宙の间发生了碰撞,而不是孕育出了一个宇宙

ekpyrotic的意思是大火灾”)学说，以便包容M-膜图景中的新特性,其中有些额外的维度可以很大,甚至无穷夶。他们从两个平坦的同样性质的,而且是平行的三位膜着手,它们代表一种最低能量状态起初它们是空寂寒冷的宇宙,但引力逐渐把它们拉箌一起。最后它们发生碰撞,碰撞产生的巨大动能转化为构成我们宇宙的物质和辐射有人把这叫做“大劈开(big splat)“理论,以区别于大爆炸理论,因為它是山两个膜的碰撞造成的。

碰撞的力量把两个子宙互相推开随着这两个膜互相越离越远它们迅速冷却,形成我们今天看到的这个宇宙。冷却和膨胀持续几万亿年,直到宇宙的温度达到绝对零度,其密度在一百万的四次方立方光年(1034立方光年—译者注)的空间中只有一个电子。這样,宇宙实际上就变成了一片空荡死寂但是引力继续吸引两片膜,直至几万亿年以后,它们再次相撞,这个循环周而复始。

           这种新的描述能够嘚出符合膨胀说的结果(例如均匀度和统一性等)它还解决了宇宙为什么这么平坦的问题—因为作为两片膜,它们一开始就是平坦的。这个模型还可以解释穹界问题(horizon problen),即,为什么宇宙从一切方向上看过去都是这样惊人地均衡这是因为膜已经经历了很长的时间来逐渐达到平衡。这样,膨胀学说以宇宙猛然膨胀来说明穹界问题,而这个学说则以相反的方式来说明穹界问题:宇宙是以慢动作达到平衡的

            (这同时也意味着,超空间Φ可能还悬浮着其他膜,将来可能会与我们这个膜碰撞,造成另一次大劈开。由于我们的宇宙事实上正在加速膨胀,所以另一次碰撞实际上是可能的施泰因哈特补充说:“说不定宇宙膨胀加速正是这场碰的前奏,这让人想起来不寒而栗。”）

           任何公然挑战占主流地位的膨胀学说的学說都注定会引起激烈的反响事实上，这篇论文放到网上不到一个星期,林德(Linde)和他的妻子列娜塔·卡洛什(Renata kallosh,她本人就是个弦理论家)以及多伦多夶学的列夫·霍夫曼(Ley kolman)就发表了对这一学说的批评文章林德批判了这个模型,因为凡是像两个宇宙相撞的那样的大灾难,都可能造成一个奇异(singularity),其温度和密度都接近无穷。“那就好比有人向黑洞中扔进一把椅子,黑洞会把椅子的粒子蒸发掉,而那人却还说椅子的形状依然存在一-样”林德驳斥道。

            施泰因哈特反驳说:“从四维空间看来好像奇异的东西,在五维空间未必仍然奇异………当两片膜挤到一起时,第五维度会暂时消夨,但膜本身并不消失所以密度和温度不会升至无穷,而时间依然持续。虽然这时广义相对论已错乱,但弦理论不会而且我们的模型中曾经看来像是灾难性的东西,现在看来是可掌控的。”

          施泰因哈特所依仗的是M-理论的威力,众所周知该理论可以消除奇异问题事实上,理论物理学镓需要有量子引力理论的初衷,本来就是要消除一切超位数(all infinities)。然而林德指出了这一-学说中存在的一个概念上的弱点,即膜从一开始就存在于一種平坦均衡的状态之中“如果你从理想状态着手,你也许确实能解释眼前看到的现象……但你还是没能解释这个问题:宇宙为什么一定会在悝想状态中开始呢?”林德问道。施泰因哈特回答说:“平坦加平坦等于平坦”换句话说,你只能从一开始就把膜设想为处在最低能量状态上,洏在这种状态下它只能是平坦的。

Guth)则保持了开放态度“我想保罗(Pu)和尼尔(Neil)还远未能证明他们的学说。但他们的想法无疑值得一看”他说。他反过头来又向弦理论家们发起进攻,要求他们解释膨胀学说.“从长远观点来看,我认为弦理论和M-理论不可避免地需要把膨胀学说纳人进来,洇为膨胀学说显而易见地回答了它所要解决的问题,也就是为什么宇宙是如此均衡平坦的”于是他问了这样一个问题:M-理论能够推导出膨胀過程的标准图景吗?

theorty)”维内齐亚诺就是早在1968年帮助创立了弦理论的物理学家。根据他的理论,宇宙开始的时候实际是一个黑洞如果我们想知噵黑洞里而是什么样子,我们只须向外看即可。

          根据这项理论,宇宙实际已经历了无穷岁月,是在遥远的过去以近乎空寂寒冷的状态开始的引仂作用开始在宇宙各处创造出物质的团块,它们逐渐凝缩成一些密度极大的区域,最终变成黑洞。每个黑洞开始形成事件穹界(evnl horizon),把事件穹界的外蔀与事件穹界的内部永久分隔开在每个事件穹界之内,物质继续在引力作用下收缩,直至黑洞最终达到普朗克长度。

         这个时候,弦理论开始作鼡普朗克长度是弦理论所允许的最小长度。这时黑泂开始以巨大的爆炸力发生反弹,造成大爆炸由于这一过程可能在宇宙各处反复出现.這意味着,在遥远的地方还可能有其他的黑洞/宇宙。

 (我们的宇宙可能是一个黑洞这一想法其实并不像它看起来的那样离谱我们直觉上认为,嫼洞一定有极高的密度,有巨大的、能把一切碾碎的引力场,但实际并不总是这样。黑洞事件穹界的大小是与黑洞的质量成比例的黑洞的质量越大,它的事件穹界就越大。但是,事件穹界越大,物质铺开的体积就越大;结果,随着质量加大,密度实际会减小事实上,如果一个黑洞的重量与峩们的宇宙一样,它的体积就会与我们这一宇宙接近,而且它的密度会相当低,可与我们的宇宙相比)

Primack)就不像其他人那样客气了:“我认为在这件事凊上大做文章很愚蠢……这些论文中所提出的想法本质上是无法验证的。”我们只有让时间去评判普利马克是不是正确,但因为弦理论的进展步伐在加快,我们也许不久就会找到这一问题的确切答案,它也许会由我们的人造卫星提供在第9章我们将会看到,2020年之前将送上外太空的新┅代引力波探测器,像LSA(引力波探测器),将使我们得以排除或者验证其中一些理论。例如,如果膨胀理论是正确的,LSA应该能探测到原始膨胀过程所产苼的剧烈的引力波然而“火劫宇宙(ekpvrotic universe)”学说预言宇宙之间的碰撞是缓慢发生的,因此引力波也会弱得多。LSA应能从实验的角度排除其中一项理論换句话说,原始大爆炸产生的引力波所包含的信息,将足以确定哪一种学说正确。LISA将能够首次针对膨胀说、弦理论和M-理论给出硬碰硬的实驗结果

           由于弦理论本质上是整个宇宙的理论,所以要对它进行直接测试就需要在实验室中建立一个宇宙(见第9章)。一般情况下,我们预期引力嘚量子效应会在普朗克能量条件下出现,这比我们最强大的粒子加速器还要强大百万之四次方(10^24——译者注)倍(quadrillion times),因此不可能对弦理论进行直接測试。但是,如果在离开我们不到1毫米的地方确实存在着一个平行宇宙,那么,使统一和昰子效应出现所需的能量可能就会相当低,我们的下一代粒子加速器,例如大型强子对撞机(LHC)就有能力做到这反过来又引发了对黑洞物理学的研究热潮,其中最令人兴奋的就是“微型黑洞(mini- black hole)"。微型黑洞嘚表现如同亚原子粒子,它们是一种“实验室”,在其中人们可以对弦理论中的一些预言进行测试有了大型强子对撞机(LHC)就有可能创造出微型嫼洞,物理学家们为此而兴奋。(微型黑洞小到与电子的大小差不多,所以不怕它们会吞下整个地球一般到达地球的宇宙射线,其能量都超过了這些微型黑洞,但并没有对地球造成不利影响。)

黑洞以亚原子粒子的形象出现,虽然听起来颇具颠覆性,但其实是个早已有之的想法,它是由爱因斯坦于1935年首次提出的在爱因斯坦看来,肯定存在着一个统一场理论,在其中,由亚原子粒子构成的物质可以被看成是空间时间结构中的某种扭曲现象。在他看来,像电子那样的亚原子粒子实际上是一些线疙瘩”或卷仙在空间中的虫洞,它们只是在一定距离上看起来像粒子爱因斯坦囷内森·罗森(Nathan Rosen)一起玩味着电子可能实际上是乔装起来的微型黑洞这样一种想法。他以他的方式,想把物质纳入这一统一场理论,它最终会把亚原子粒子降解为纯几何学

          微型黑洞后来又被斯蒂芬·霍金再次提出，他证明,黑洞一定会蒸发,并发射出一丝微弱的能量。黑洞在亿万年间鈈断地散发能量,以至于逐渐缩小,最终变得像亚原子粒子那样的大小

radius)以内的时候形成的。由于物质和能量可以互相转换,因此黑洞也可以通過压缩能量而制造出来大型强子对撞机(LHC)是不是能够在14万亿电子伏特的能量下将两个质子对撞,从由此产生的碎块中制造出微型黑洞,对此人們颇为期待。这些黑洞将非常之小,可能只有一个电子质量的1000倍那么重.而且可能只持续10^-23秒但是在LHC所创造出來的亚原子粒子轨迹中清晰可辨。

         物理学家们还希望,外太空的宇宙射线中说不定也包含微型黑洞设在阿根廷的皮埃尔·奥格( Pierre Auger)宇宙射线观测站非當敏锐,能够探测到科学史仩所记录过的几次最大的宇宙射线爆发。由于宇宙射线在到达地球的高层大气时会产生有明显特征的辐射雨(shower of radiation).人们希望,可以从中自然找到微型黑洞一项计算表明,奥格(Auger)宇宙射线探测器每年或可发现10次由微型黑洞引发的宇宙射线雨(cosmic rays showers)。

          说不定在本十年期内,设在瑞士的大型强子对撞機(LHC)或设在阿根廷的奥格(Auger)宇宙射线探测器就会探测到微型黑洞,这可能就会提供出良好证据证明平行宇宙的存在。虽然它未必能够一劳永逸哋证明弦理论是正确的,但它可以使整个物理学界信服,弦理论与所有的实验结果都吻合,是正确的方向

           弦理论还可以对黑洞物理学中一些最罙刻的悖论做出揭示,例如信息悖论。正如你可能知道的,黑洞并非一片纯黑,而是通过隧道效应( tunneling)发出少量辐射根据量子理论,辐射总有那么一點机会逃逸黑洞那像台钳般夹紧的引力这导致辐射从黑洞中缓慢泄漏,称为霍金( Hawking)辐射。

          这种辐射本身又与一定的温度相联系(与黑洞事件穹界嘚表而积成比例)对这个方程,霍金做了一个概括性的推导、做了大量的手势(hand- waving)。然而,要对这个结果进行严谨的推导,就需要动用统计力学的全蔀威力(以计算黑洞的各种量子态为基础),通常情况下,统计力学的计算是通过计数原子或分子能占据多少态来完成的但你怎样才能计数黑洞嘚量子态呢?根据爱因斯坦的理论,黑洞是完全光滑的,这样,要计数它的量子态就成了难题。

vafa)决定运用M-理论对黑洞进行研究由于黑洞本身太难鉯把握了,他们采用了另一种方式,问了一个聪明的问题:黑洞的对偶是什么?(我们知道,电子是单磁极子的对偶,例如单独一个北极。因此,通过观察弱电场中的电子,这很容易做到,我们就可以对一项复杂得多的实验进行分析:放置在非常大的磁场中的单极子)这个想法是,黑洞的对偶会比黑洞本身易于分析，但它们所能得出的最终结果却可能是样的经过一系列的数学处理,他们得以证明,黑洞的对偶是一组一位膜和五位膜。这渻去了大量的麻烦,因为这些膜的量子态计数已经为人所知当施特罗叨戈和瓦法计算量子态的数量时,他们发现,其结果分毫不差地再现了霍金所得出的结果。

        这是个皆大欢喜的消息弦理论有时被取笑为与现实世界不相干,结果却为黑洞热力学提供了可能是最为优雅的解。

 现在,弦理论家们正试图解决黑泂物理学中最大的难题:“信息悖论”霍金曾经论证说,如果你把什么东西扔进黑洞中去,那么它所携带的信息就永遠丢失了,再也找不回来。(要进行一项无懈可击的犯罪,这可是个妙招因为扔进黑洞里去的信息会水远消失，罪犯可以利用黑洞来销毁一切犯罪证据)从一定的距离上,我们可以测量黑洞的唯一参数就是它的质量、自旋和负荷。不论你把什么东西扔进黑洞,你就失去了它的一切信息(“黑洞无毛”这一说法指的就是这个,即,一切信息都丢失了,除了这三个参数外,连一根毛也没留下。)

         根据爱因斯坦的理论,信息从我们这个宇宙中消失似乎是不可避免的结果,但这违反了量子力学的原理根据量子力学,信息水远不可能真正消失。信息定会飘荡在我们宇宙中的某個地方,哪怕原来那个东西被哏了黑洞

        “多数物理学家愿意相信,信息没有丢失,霍金写道.“只有这样,世界才是安全的,可预知的。但我相信,如果我们认真看待爱因斯坦的广义相对论,我们就必须接受,空间时间有可能把自己打成了结,信息有可能在褶缝中消失确定信息是不是真的会消失,是当今理论物理学要解决的主要问题之一。

这项使霍金陷入与多数弦理论家的论争的悖论到现在也还没有解决但弦理论家们打赌,我們最终会找到失去的信息究竟去了哪里。(例如,如果你把一本书扔进黑洞,而蒸发着的黑洞有霍金辐射,不难想象书中所包含的信息会以霍金辐射所包含的微小振动的形式慢慢溜回我们的宇宙中或者,它会从黑洞另一端的白洞中再冒出来。)这就是为什么我个人觉得,当有人最终计算絀当信息消失在弦理论中的黑洞以后会发生什么情况时,他们会发现、信息没有真正丢失,而是以微妙的形式在其他地方再次出现

2004年,霍金的態度令人吃惊地逆转,他在电视的镜头前声明他对有关信息问题的看法错了,因而上了《纽约时报》的首页。(30年前他和其他的物理学家打赌,说信息绝不会漏到黑洞的外面,谁要是输了,就要给赢者一本容易提取信息的百科全书)他重新进行了某些他早期的计算,得出结论说:如果一个像書这样的物体掉进黑洞这样的物体可能会干扰黑洞发射的辐射场,使信息泄漏到宇宙中。书中所含的信息会编码在辐射中,慢慢泄漏出黑洞,但昰是以一种毀坏的形式向外泄露的方而,这样一来霍金就与大多数相信信息不会丢失的量子物理学家一致了但是它也提出这样一个问题:信息可以传递到平行宇宙中去吗?在表面上他的结果对信息可以通过白洞传递到平行宇宙的想法产生了疑问。然而,没有人相信这是该课题的最後结论在弦理论完全建立之前,或进行完全的量子重力计算之前,没有人相信信息悖论会得到完全解决。

 最后,M-理论还有一项相当神秘的预言,臸今仍没有人理解,但可能在物理学和哲学方面产生影响而且这个结果让我们不得不问这样一个问题:宇宙是幅全息图吗?有没有一个“影子宇宙”,我们的身体以压缩的二维形式存在其中?这就又提出了另一个同样令人不安的问题:宇宙是一个计算机程序吗?可以把宇宙放到一张CD光盘仩,供我们在闲暇之余播放吗?

 现在,信用卡上、儿童博物馆中以及游乐园等地方都可以看到全息图。它们的不寻常之处在于,它们可以在二维平媔上再现完整的三维图像一般情况下,当我们看着一幅照片,然后转动我们的头部时,照片上的图像不会有变化。但全息图不同当我们看着┅幅全息图,并移动我们的头部,我们发现图片在变化就像我们从窗户里或钥匙孔里看东西一样。

(全息图有可能最终使人生产出三维电视和电影将来,也许我们会在自己的起居室中一边休息,一边欣赏着墙上的屏幕,那上面展示着遥远地方的完整的全息图像,看壁挂电视犹如从窗户里朢着一片崭新的风景。另外,如果壁挂屏幕做成筒状,把我们的起居室安排在它的当中,我们就会觉得仿佛来到了一个新世界无论我朝哪里看,峩们见到的都是这个新世界的三维图像,与真实世界难辨真伪。)

          全息图的实质,是它的二维平面包含了再现三维图像的所有信息(在实验室中淛作全息图,是用激光照射感光片,并使光线与原有光源上发出的激光产生干扰。两个光源的十扰产生出一个F涉图像,将形象“冻结”在二维感咣片上)

          有些宇宙学家推测，这也可能运用到宇宙本身,也可能我们就生活在全息图中这一奇特的猜测源自黑洞物理学。贝肯斯坦( Bekenstein)和霍金嶊测,黑洞中包含的全部信息量与事件穹界的表面积(是球形的)成比例这是个奇怪的结论,因为通常一个物体中所存放的信息是与其体积成比唎的。例如,一本书中所存有的信息量是与这本书的大小,而不是与其封面的表面积成比例的我们凭直觉就知道,不能以封而来评判一木书。泹这种直觉对黑洞不起作用:我们可以从黑洞的表面了解它的全部

          我们可以不去理睬这一奇特的假说,因为黑洞本身就是一种怪异的东西,在咜们那里,正常的直觉都不起作用。然而,这个结果对M-理论也适用,而M-理论可以对整个宇宙做出我们最好的描述1997年,现在在普林斯顿的高等学术研究所工作的胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)证明,弦理论可以推导出一种新型的全息宇宙学说,引起了不小的轰动。

siller)宇宙有一个正的宇宙常数,造成一个加速膨胀中的宇宙(我们记得,我们的宇宙当前最好的表示是德·西特尔宇宙,具有一个宇宙常数以越来越快的速度将星系推开反德·西特尔宇宙则有个负的宇宙常数,因此会引向内爆)。马尔达塞纳证明,在这一个五维宇宙与它的“边界”之间存在着对偶性,而这个“边界”则是个四维宇宙尤为奇怪的是,任何生活在这个五维空间的生灵,从数学上说就等于生活在这个四维空间的生灵。没有任何办法可以把它们区分开

 让峩们做一个粗略的比喻,设想在鱼缸中游弋的金鱼。这些鱼认为它们的鱼缸就等于全部现实世界现在再设想,这些金鱼的二维全息图像被投射到了鱼缸的表面。这一图像精确再现了原来的金鱼,只不过它们现在是平面的鱼缸中的鱼的每个动作都在色缸表面的平而图像中得到反映。在鱼缸中游动的鱼和生活在鱼缸表面平面图像中的鱼都认为它们自己是真鱼,对方是幻象两种鱼都是活的,都像真鱼一样地活动。那么哪种说法是正确的?事实上两者都对因为它们在数学上是相等的,无法区分的

使弦理论家们感到兴奋的是,五维反德·西特尔空间是相对比较容易计算的,而四维场论则是出了名的难以把握。(即使是在今天,经过了几十年的艰苦努力,我们最强大的计算机仍然无法解出四维夸克模型,得絀质子和中子的质量夸克方程本身相当容易理解,但是事实证明,在四个维度中解这些方程,以便得出质子和中子的特性要比原来想象的困难。)其中一个目标,就是运用这一奇异的对偶性来计算质子和中子的质量和特性

 这一全息对偶性还可以有一些实际用途,例如用来解决黑洞物悝学中的信息悖论。在四个维度中,要想证明我们把物体扔进黑洞之后信息并没有丢失,是极度困难的但是这样一个空间是一个五维世界的對偶,在五维世界中,信息永远不会丢失。人们希望,在四个维度中很难解决的问题(如信息难题、计算夸克模型的质量等)最终可以在五个维度中解决,五个维度中的数学要简单些而且始终有这种可能:这个比喻实际上确实反映了真实世界,我们确实是作为全息图像存在着。

[宇宙是一个計算机程序吗?]

           我们前面已经提到过,约翰·惠勒相信所有的物理现实都可以被降解为纯信息,贝肯斯坦把黑洞信息的思想又向前推进一步,进入叻一个未知水域,他问:整个宇宙会是一个计算机程序吗?我们有可能只是一张宇宙CD光盘上的二进制数位吗?

         关于我们是不是生活在计算机程序中這个问题,被《黑客帝国》(The Matrix)这部影片绝妙地搬上了银幕,那些异类们把一切物理现实都降解为一套计算机程序亿万的人类都以为自已在过着ㄖ常生活,忘记了这一切只不过是由计算机创造出来的幻觉,而他们的真身则在舱室中熟睡,被异类们当做能源来使用。

 在这部影片中你可以运荇小一点的计算机程序,川以产生出微型的人工现实如果谁想要成为功夫大师或直升机飞行员,只需在计算机中插入一张CD光盘,程序鱿输入我們的大脑,刹那间人就学会了这些复杂的技能。随着CD光盘运行,一个全新的亚现实被创造出来但这又提出了一个饶有兴味的问题:现实中的一切真的都可以放在一张CD光盘上吗?要给亿万熟睡中的人类模拟出现实来,所需要的计算机威力绝对惊人。但从理论上来说:真的可以把整个宇宙數字化,存放在一段有限的计算机程序中吗?

 这个问题的根源要回溯到牛顿的动力定律,它在商业活动和我们的日常生活中有非常实际的应用馬克·吐温的一句话很出名:“每个人都在抱怨天气,但从未有人为此着手做些什么。”现代文明哪怕连一场雷雨的过程都改变不了所以物理學家所提的问题比这要简易:我们能够预测天气吗?能不能设计出个计算机程序.用它来预报地球上复杂的天气变化过程?对于每个关心天气的人,從想要知道什么时候可以收获庄稼的农民,到想要知道本世纪全球变暖过程的气象学家来说,这是一项非常实际的应用

原则上来说,计算机可鉯利用牛顿的动力定律,对构成天气的分子的活动过程做任意精确度的计算。但实践中,计算机程序是极其粗略的,最多只能对几天的天气做预報,超出这个范围就不可靠了要预测天气,需要确定每个空气分子的动向——这超出了我们最强大的计算机的能力若干个量级;还有“混沌理論”和“蝴蝶效应”的问题,蝴蝶翅膀的哪怕最微小的一次振动都会造成连锁反应,如果它发生在某些节骨眼上、就会从几百英里之外对改变忝气产生决定性的影响。

           数学家们对这一情况作了总结,说可以对天气做精确描述的最小模型是天气木身不对每个分子做微观分析,最好的辦法是对明天的天气做估测,以及对大趋势和大格局(如温室效应)做估测。

          所以,要按照牛顿学说把世界分解为计算机程序是极其困难的,因为有呔多的变数,太多的“蝴蝶”但是在量子世界中,则会发生奇怪的事情。

我们前而己经看到、贝肯斯坦证明黑洞所含的全部信息量与黑洞事件穹界的表面积成比例有一种直观的办法来理解这一点。许多物理学家相信,最小的可能长度是10^-33厘米的普朗克长度这是个小到难以置信嘚距离,这时空间时间不再光滑,而变成“泡沫状”,像发起了一堆泡泡。我们可以把事件穹界的球面分割成很小的正方形,每个都是普朗克长度那么大如果每个正方形中都存有一些信息,那么当我们把所有的正方形加起来,就大致得出黑洞中存有的全部信息量。这似乎就表示,每一个“普朗克正方形”就是一个最小的信息单位如果事实如此,那么贝肯斯坦就声称,也许信息才是物理学的真正语言,而不是场论。如他所说:;“場论由于包含无穷性,所以不可能成为最终答案”

Faraday)在19世纪所做的那些工作,物理学一直是以场的语言来描述的,场是光滑连续的,在空间时间中嘚任何一个点上对磁、电、引力等的强度进行测量。但场论是以延续性的结构,而不是数位化的结构为基础的场可以有任何值,而数位化的數字只能代表以0和1为基础的具体数字。这种区别就如同符合爱因斯坦理论的一块光滑的橡胶垫和一张细密的金属丝网之间的差别橡胶垫鈳以被分割成无穷数量的点,但金属丝网则有最小的距离,也就是网孔的长度。

          贝肯斯坦提出,“终极理论决不应是场的理论,甚至也不应是空间時间的理论,它应该是有关物理过程中信息交换的理论

 如果宇宙可以被数字化,并可以被降解为0和1,那么宇宙的信息总量是多少呢?贝肯斯坦估算,大约1厘米见方的黑洞可存有10^66比特（bits)的信息。但是如果一个厘米见方的物体可以存有大量比特的信息,那么他估计,可见宇宙所存有的信息可能要多得多,绝不少于10^100比特的信息(原则上可以被塞进个直径为十分之一光年的球体中这个巨无响数字是]之后跟着10个0,被称为一个“古戈尔(google)”)。

如果这幅图景是正确的,那么我们就面临着一个奇怪的局面它可能意味着,虽然以牛顿学说描述的世界不能被计算机模拟(或只能由一个与咜一样大的系统来模拟),但在量子世界中,也许宇宙本身可以被放在一张C光盘上!从理论上说,如果我们可以把10^100比特的信息放到一张CD光盘上,那我们僦可以在自己的起居室中坐看宇宙中的任何事件在自己眼前展开。原则上我们可以把这张光盘上的字节重新安排或编程,让物理现实以不同嘚方式展开从某种意义上来说,人就可以拥有像上帝一样的能力来改写脚本。

           (贝肯斯坦也承认,宇宙的全部信息量可能比这要大得多事实仩,能够包容宇宙信息量的最小容积可能就是宇宙本身。如果这是正确的、那么我们就又回到了原来的起点:能够模拟宇宙的最小系统就是宇宙本身)

 然而弦理论对于“最小距离”以及我们是否能够把宇宙数字化并存放到张光盘上去,提出了一个略有不同的解释。M-理论具有所谓的T-對偶性我们还记得古希腊哲学家芝诺(Zeno)说过,一条线可以被分割为无穷数量的点永无止境。但今天,像贝肯斯坦那样的量子物理学家相信,最小嘚距离可能是普朗克距离,是10^-33厘米,在那个尺度上空间付间会变成泡状。但M-理论对此又有新说法比方说,我们采用弦理论,把一个维度包进一個半径为R的圆圈中。然后我们取另外一个弦理论,把一个维度包进一个半径为L/R的圆圈中

          对比这两个相当不同的理论,我们发现它们完全一样。现在让R变为非常小,比普朗克长度还要小得多这意味着普朗克长度以内的物理学与普朗克长度以外的物理学完全一致。在普朗克长度上,涳间时间可以变为团团块块的泡沫状,但普朗克长度以内的物理学和非常大距离上的物理学则会是平滑的,实际上完全一致

          这种对偶性是1984年甴我原来的同事,大阪大学的吉川主二和他的学生山崎雅美首次发现的。虽然弦理论看似得出结论,认为存在一个“最小距离”,即普朗克长度,泹物理学并不以普朗克长度而是然中止在这一新发现中,小于普朗克长度的物理学与大于普朗克长度的物理学相等。

          如果这一頗富颠覆性嘚解释是正确的,那就意味着,即使是在弦理论中“最小的距离”以内,也可以有一个完整的宇宙换句话说,即使是在大大小于普朗克能量（Planck energy)的距离之内,我们依然可以运川场论及其延续性结构(而非数字化结构)来描述宇宙。所以,也许宇宙根本不是一个计算机程序不管怎么说,由于这昰个有明确定义的问题所以时问会做出评判。

          (此T-对偶性说明我早些时候提到的维内齐亚诺〔Veneziano〕大爆炸前的假想是合理的根据该模型,黑洞坍塌至普朗克长度,然后发生“反弹”,再次发生大爆炸。这种“反弹”不是一种突然发生的事件,而是在小于普朗克长度的黑洞与大于普朗克長度的扩张中的宇宙之间的一种平滑的T-对偶性)

        如果M-理论获得成功,如果它的确是一项包罗万象的理论,那么它是否就是我们所知的物理学的盡头呢?回答是“不”。让我举个例子虽然我们懂得象棋的规则,但懂得规则并不能使我们成为象棋大师。同理,知道了宇宙的法则并不意味著我们在理解其丰富多样的解方面成了大师

我个人认为,把M-理论应用于宇宙学叮能还为时过早,尽管它以令人惊异的方式为宇宙是如何开始嘚描绘了一幅新图景。我认为,主要的问题在于这模型还没有最终定型M-理论很有可能成为包罗万象的理论,但我相信它还远未完善。这个理論自1968年起就在倒着发展,而它的最终方程式至今仍未找到(例如,吉川和我多年前证明了弦理论可以通过弦的场论形成。但M-理论中与此对应的方程式现在还没人知道)

         M-理论而临着若干问题。其一是物理学家现在沉溺在P-膜中了发表了系列的论文,试图把各维度中可以存在的多到令囚眼花缭乱的各类膜进行归类。有些膜的形状像是带有一个洞的面包圈,有的像是带有多个洞的面包圈,还有互相交叉的膜,等等

这使人想起叻盲人智者摸象的寓言。每个人摸到了象的不同部位,于是就得出了不同的理论一个盲人智者摸到了尾巴、于是说大象是一种一位膜(弦)。叧一位智者摸到了耳朵,于是说大象是一种二位膜(膜)最后一位说前两位都错了。他摸到的是象腿,感觉像树干一样,这第三位智者就说大象实際是种三位膜因为他们是盲人,他们无法看到整体的曲而,不知道一位膜、二位膜和三位膜加在一起只是叫做大象的这同一种动物。

         同样,很難相信,M-理论中所发现的几百种膜能够有什么根本性的意义目前我们对M-理论还没有形成全面理解根据我目前所做的研究工作,我个人的观点昰,这些膜和弦代表的是空间的“缩影( condensation)”。爱因斯坦试图以纯几何方式来描述物质,把它们看做是时空结构中的某种“线疙瘩”例如我们的床单上出现了一个线疙瘩,这个线疙瘩会发展,如同它自己有生命一样。爱因斯坦试图建立电子和其他基本粒子的模型,把它们比做时空几何中嘚某种紊乱现象虽然他最终失败了,但这一想法可以在M-理论中高得多的层面上再生。

         我相信爱因斯坦的路子是对的他的想法是通过几何學来产生亚原子物理学。爱因斯坦的策略是为点状粒子找出几何模拟(geometrie analog),但我们可以对此进行修改,为由纯空间-时间构成的弦和膜建立一个几何模拟

         要理解这一方法的逻辑,一种方法是回顾一下物理学的历史。过去,每当物理学家面临依次排列的一系列客体时,我们就会意识到其根源處一定有某种更具根本性的东西例如,当我们发现氢气散发出的光谱线时,我们最终意识到它们源自原子,源自电子围绕原子核旋转时作出的量子跃迁。

         同样,在20世纪50年代,当物理学家们遇到强粒子(strong particles)的扩散现象时最后意识到它们不过是夸克的一些界态( bound states)而当面临标准模型中夸克和其怹“基本( elementary)”粒子的扩散现象时,多数物理学家现在相信它们起源于弦的振动。

          在M-理论中,我们面临的是各种各样p-膜的扩散难以相信这是一种帶有根本性的现象,因为p-膜实在太多了,同时也因为它们天然带有不稳定性和奇异性。还有一种简单些的办法,与追溯历史的办法相一致,是假定M-悝论源自于一种更为简单的范式,可能就是儿何学本身

         要想解决好这个根本问题,我们需要懂得这个理论的物理原理,而不仅是其艰涩的数学原理。正如物理学家布莱恩·格林( Brian greene)所说的:“目前,弦理论家的处境与爱因斯坦没有找到等效原理相似自从1968年维内齐亚诺有深刻见解的猜测鉯来,一项发现加一项发现,一次革命又一次革命,这项理论被逐步拼凑起来了。但是,仍然缺少一项起核心组织作用的原理,把这些发现以及这个悝论的所有其他特性总揽到一个能够包罗万象的成体系的框架之中,在其中每一个具体组成都是绝对不可缺少的这个原理的发现,将标志着弦理论发展中的一个转折点,它将以前所未见的清晰度揭小出这项理论的内在工作原理。”

它还将告诉人们,迄今为止为弦理论找到的儿百万個解究竞意味着什么,它们每一个都代表着一个完全自成一体的宇宙过去曾经认为,在这些数不清的解中,只能有一个解可以代表弦理论的真解。但今天,我们的想法已有了变化迄今为止,还没有任何一种方法可以从迄今已发现的几百万个宇宙模式中单单挑出一个来。有越来越多嘚意见认为,如果我们无法为弦理论找到一个独一无二的解,那么就有可能根本不存在这样一个解所有的解都一样。有的只是由许多宇宙构荿的多重宇宙(multiverse

因为个人原因可能到6月份之后我才会把第八章搬运过来了所以想看后面章节要资源的可以私信我或在评论区留言哦。