果壳中的宇宙-第3章

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科学证明。此时，利弗席兹和哈拉尼科夫就处在尴尬的境地。他们无法和我们证明的数学定理争辩，但是在苏维埃制度下，他们有不能承认自己错了，而西方科学是对的。然而，他们找到一族具有急电的更不一般的解，不像他们原先的解那么特殊，以此挽回颓势。这样他们便可以宣称，奇性以及时间的开端或终结是苏维埃的发现。　　
　　大多数物理学家仍然本能地讨厌时间具有开端或终结的观念。因此他们指出，可以预料数学模型不能对奇点附近的时空作出很好的描述。其原因是，描述引力场的广义相对论是一种经典理论，正如在第一章中提到的，它和制约我们已知的所有其他的力的量子理论的不确定性相协调。因为在宇宙的大多数地方和大多数时间里，时空弯曲的尺度非常大，量子效应变得显著的尺度非常小，这种不一致性没有什么关系。但是在一个奇点附近这两种尺度可以相互比较，而量子理论效应就会很重要。这样，彭罗斯和我自己的奇点定理真正确立的是，我们时空的经典区域在过去或许还在将来以量子引力效应显著的区域为边界。为了理解宇宙的起源和命运，我们需要量子引力理论，这将是本书大部分的主题。　　　
　　具有有限数量粒子系统，譬如原子的量子理论，是1920年海森堡，狄拉克和薛定谔提出的。然而，人们在试图把量子观念推广到麦克斯韦场时遇到的困难。麦克斯韦场是描述电，磁和光。　　　
　　人们可以把麦克斯韦场认为是由不同波长的波组成的，波长是在两个临近波峰之间的距离。在一个波长中，场就像单摆一样从一个值向另一个值来回摆动。　　　
　　根据量子理论，一个单摆的基态或者最低能量的态不是只停留在最低能量的点上，而直接向下指。如果那样就具有确定的位置和确定的速度，即零速度。就违背了不确定性原理，这个原理禁止同时精确地测量位置和速度。位置的不确定性乘上动量的不确定性必须大于被称为普朗克常数的一定量。普朗克常数因为经常使用显得太长，所以用一个符号来表示：h。　　　
　　这样一个单摆的基态，或最低能量的态，正如人们预料的，不具有零能量。相反的，甚至在一个单摆后者任何振动系统的基态之中，必须有一定的称为零点起伏的最小量。这意味着单摆不必须垂直下指，它还有在和垂直成小角度处被发现的概率。类似的，甚至在真空或者最低能的态，在麦克斯韦场中的波长也不严格为零，而具有很小的量。单摆或者波的频率越高，则基态的能量越高。　　　
　　人们计算了麦克斯韦场和电子场的基态起伏，发现这种起伏使电子的表现质量和电荷都变成无穷大，这根本不是我们所观测到的。然而，在40年代物理学家查里德？费因曼，朱里安？施温格和超永振一郎发展了一种协调的方法，除去或者“减掉”这些无穷大，而且只要处理质量和电荷的有限的观测值。尽管如此，基态起伏仍然产生微小效应，这种效应可以被提出的理论中的杨…米尔斯理论是麦克斯韦理论的一种推广，它描述另外两种成为弱核力和强核力的相互作用。然而，在量子引力论中基态起伏具有严重的多的效应。这里重复一下，每一波长各种基态能量。由于麦克斯韦场具有任意短的波长，所以在时空的任一区域中都具有无限数目的不同波长，并且此具有无限量的基态能。因为能量密度和物质一样是引力之源，这种无限大的能量密度表明，宇宙中存在足够的引力吸引，使时空卷曲成单独的一点，显然这并未发生。　　　
　　人们也许会说基态起伏没有引力效应，以冀解决似乎在观测和理论之间的冲突，但是这也不可以。人们可以对利用卡米西尔效应是把符合在平板间的波长的数目相对于外面的数目稍微减少一些。这就意味着，在平板之间的基态起伏的能量密度虽然仍为无限大，却比外界的能量密度少了有限量。这种能量密度差产生了将平板拉到一起的力量，这种力已被实验观测到。在广义相对论中，力正和物质一样是引力的源。这样，如果无视这种能量差的引力效应则是不协调的。　　　
　　解决这个问题的另一种可能的方法，是假定存在诸如爱因斯坦为了得到宇宙的静态模型的宇宙常数。如果该常数具有无限大负值，它就可能精确地对消自由空间中的基态能量的无限正值。但是这个宇宙常数似乎非常特别，并且必须被无限准确地调准。　　　
　　20世纪70年代人们非常幸运地发现了一种崭新的对称。这种对称机制将从基态起伏引起的无穷大对消了。超对称是我们现代数学模型的一个特征，它可以不同的方式来描述。一种方式是讲，时空除了我们所体验到的维以外还有额外维。这些维被成为格拉斯曼维，因为它们是用所谓的格拉斯曼变量的数而不用通常的实数来度量。通常的数是可以变换的，也就是说你进行乘法时乘数的顺序无关紧要：6乘以4和4乘以6相等。但是格拉斯曼变量是反交换的，x乘以y和…y乘以x相等。　　
　　超对称首先用于无论通常数的维还是格拉斯曼维都是平坦而不是弯曲的时空中去消除物质场和杨…米尔斯场的无穷大。但是把它推广到通常数和格拉斯曼维的弯曲的情形是很自然的事。这就导致一些所谓超引力的理论，它们分别具有不同数目的超对称。超对称一个推论是每一中场或粒子应有一个其自旋比它大或小半个的“超伴侣”。　　　
　　玻色子，也就是其自悬数为整数的场的基态能量只正的。另一方面，费米子，也就是其自旋为半整数的场的基态能量非负值。因为存在相等数目的玻色子和费米子，超引力理论中的最大的无穷大就被抵消了。　　　
　　或许还遗留下更小的但是仍然无限的量的可能性。无人有足够的耐心，去计算这些理论究竟是否全有限。人们认为这要一名能干的学生花200年才能完成，而且你何以得知他是否在第二也就犯错误了？直到1985年大多数人仍然相信，最超前对称的超引力理论可避免无穷大。　　　
　　然后时尚突然改变。人们宣称没有理由期望超引力理论可以避免无穷大，而这意味着它们作为理论而言具有的把引力和量子理论合并的方法。它们只有长度。在弦理论中是同名物，是一维的延展的物体。它们只有长度。在弦理论中弦在时空背景中运动。弦上的涟漪被解释为粒子。　　　
　　如果弦除了他们通常数的维外，还有格拉斯曼维，涟漪就对应于玻色子和费米子。在这种情形下，正的和负的基态能就会准确对消到甚至连更小种类的无穷大都不存在。人们宣布超弦是TOE，也就是万物的理论。　　　
　　未来的科学史家将会发现，去描绘理论物理学家中的思潮的起伏是很有趣的事。在好些年里，弦理论甚至高无上，而超引力只能作为在低能下有效的近似理论而受到轻视。限定词“低能”尤其晦气，尽管此处低能是指其能量比在TNT爆炸中粒子能量的一百亿亿倍更低的粒子。如果超引力仅仅是低能近似，它就不能被宣称为宇宙的基本理论。相反地，五种可能的超弦理论中的一种被认为是基本理论。但是物种弦理论中的哪一种是我们的宇宙呢？还有，在超出弦被描绘成具有一个时空维和一个时间维的通过平坦时空背景运动的面的近似时，弦理论应如何表述呢？难道弦不使背景时空弯曲吗？　　　
　　1985年后，弦理论不是完整的图象这一点逐渐清晰了。一开始，人们意识到，弦只不过是延展成多于一维的物体的广泛族类中的一员。包罗？汤森，他正如我一样是剑桥的应用数学和理论物理系的成员，他关于这些东西做了许多研究，将这些东西命名为“P…膜”。一个P…膜在P个方向上有长度。这样P=1就是弦膜，P=2的膜是面或者薄膜，等等。似乎就是没有理由对P=1的的弦的情形比其他可能的P值更宠爱。相反地，我们应采用P…膜的解。十维或者十一维听起来不太像我们体验的时空。人们的观念是，其余的六维或七维被弯卷成这么小，小到我们察觉不到；我们只知悉剩下的四维宏观的几乎平坦的维。　　　
　　我应该说，对于相信而外的维，我本人一直犹豫不决。但是，对于我这样的一名实证主义者，“额外维的雀存在吗？”的问题是没有意义的。人们最多只能问：具有额外维的数学模型能很好地描述宇宙吗？我们还没有任何不用额外维便无法解释的观测。然而，我们在日内瓦的大型强子碰撞机存在观察到它们的可能性。但是，使包括我在内的许多人信服的，必须认真地接受具有额外维的模型的理由是，在这些模型之间存在一种所谓对偶性的意外的关系之网。这些对偶性显示，所有这些模型在本质上都是等效的；也就是说，它们只不过是同一基本理论的不同方面，这个基础理论被叫做M…理论。怀疑这些对偶性之网是我们在正确轨道上的征兆，有点象相信上帝把化石放在岩石中去是为了误导达尔文去提出生命演化的理论。　　　
　　这些对偶性表明，所有五种超弦理论都描述同样的物理，而且它们在物理上也和超引力等效。人们不能讲超弦比超引力更基本，反之亦然。人们宁愿说，它们是同一基本理论的不同表达，对在不同情形下的计算各有用处。因为弦理论没有任何无穷大，所以用来计算一些高能离子碰撞以及散射事件很方便。然而，在描述非常大量数目的粒子的能量如何弯曲宇宙或者形成束缚态，譬如黑洞时没有多大用处。对于这些情形，人们需要超导力。超引力基本上是爱因斯坦的弯曲的时空的理论加上一些额外种类的物质。这正是我们以下主要使用的图象。　　
　　为了描述量子理论如何赋形于时间和空间，引进虚时间的观念是有助益的。虚时间听起来有点科学幻想，但其实很好定义的数学概念：它是用所谓的虚数量度的时间。人们可以将诸如1，2，…3，5等等通常的实数相成对于从左至右伸展的一根线上的位置：零在正当中，实正数在右边，而负实数在左边。　　　
　　叙述对应于一根垂直线上的位置：零又是在中点，正虚数画在上头，而负虚数画在下面。这样虚数可被认为与通常的实数夹直角的新行的数。因为它们是一种数学的构造物，不需要实体的实现；人们不能有虚数个橘子或者虚数的信用卡帐单。　　　
　　人们也许认为，这意味着虚数只不过是一种数学游戏，也现实世界毫不相干。然而从实证主义哲学观点看，人们不能确定任何为真实。人们所能做的只不过是去找哪种数学模型描述我们生活其中的宇宙。人们发现牵涉到虚时间的一种数学模型不仅预言了我们已经观测到的效应，而且预言了我们尚未能观测到，但是因为其他原因仍然坚信的效应。那么何为实何为虚呢？这个差异是否仅存在于我们的头脑之中呢？　　　
　　爱因斯坦经典广义相对论把实时间和三维时空合并为四维时空。但是实时间方向和三个空间反向可被识别开来；一位观察者的世界线或历史总是在实时间方向增加，但是它在三维空间的任何方向上可以增加或者减小。换言之，人们可以在空间中而非时间中颠倒方向。　　　
　　另一方面，因为虚时间和实时间夹一直角，它的行为犹如空间的第四个方向。因此，它比通常的实时间的铁轨具有更丰富多彩的可能性。铁轨只可能有开端或者终结或者围着圆圈。正是在这个虚的意义上，时间具有形态。　　　
　　为了领略一些可能性，考虑一个虚时间的时空，那是一个像地球表面的球面。假定虚时间的纬度，那么宇宙在虚时间的历史就是南极启始。这样，“在开端之前发生了什么？”的诘问就变得毫无意义，恰如不存在比南极更南的点一样。南极是地球表面上完全规则的点，相同的定律在那里正如在其他点一样成立。这暗示着，宇宙在虚时间中的开端可以是时空规定的点，而且相同的定律在开端处正如在宇宙的其他地方一样成立。　　　
　　另一种可能的行为是可以把虚时间当作地球上的经度来阐明。所有时间在那里静止，这是在这样的意义上来讲的，即嘘时间或经度的增加，让人们停留在同一点。这和在已经认识到这种实和虚时间的静止意味着时空具有温度，正如我在黑洞情形下所发现的那样。黑洞不仅有温度，它的行为方式似乎还表明它具有称作熵的量，熵是黑洞内部状态的数目的量度，这是具有给定的质量，旋转和电贺的黑洞允许的所有内部状态。作为黑洞外面的观察者只能观测到黑洞的这三种参数。黑洞的熵可由我于1984年发现的一个非常简单的公式给出。它等于黑洞视界的面积