史上最燒腦物理學(xué)科普（下）

史上最燒腦物理學(xué)科普（上）

史上最燒腦物理學(xué)科普（中）

4拉馬努金，確立十維宇宙

超弦理論似乎包含了所有的物理學(xué)知識(shí)，極其廣博精深。許多科學(xué)家認(rèn)為，這是二十一世紀(jì)的物理學(xué)，意外落入二十世紀(jì)，但是人類還沒(méi)有發(fā)明二十一世紀(jì)的數(shù)學(xué)，來(lái)精確描述它。

有一個(gè)重大秘密：我們只能在二十六維與十維中定義弦論，否則就無(wú)法用弦論整合已知的物理定律。解開(kāi)這個(gè)秘密的，是堪比當(dāng)年黎曼的另一位數(shù)學(xué)天才拉馬努金（Srinivasa Ramanujan）。

拉馬努金一八八七年出生于印度，少時(shí)坎坷，甚至沒(méi)有通過(guò)升高三的考試。二十六歲那年，他給著名數(shù)學(xué)家哈代寫了一封信，信中包含了一百二十個(gè)定理。這位貧窮孤立的印度哥們，完全不知道歐洲數(shù)學(xué)界的任何研究資訊，純粹憑個(gè)人才智、按照自己的方法，重新推導(dǎo)出歐洲百年數(shù)學(xué)史的所有重要定律。

拉馬努金的研究成果包含了三冊(cè)四百多頁(yè)的筆記，其中包含了四千多個(gè)公式。后人在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了拉馬努金模函數(shù)（Ramanujan funcation），這是一個(gè)奇特的包含了高達(dá)二十四次乘冪的數(shù)學(xué)式。這些數(shù)學(xué)式證明：弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說(shuō)，產(chǎn)生我們現(xiàn)存宇宙的那個(gè)高維度宇宙，它的維度數(shù)一定是十?。?994年開(kāi)始了弦論的第二次革命。此后誕生的“M理論”被認(rèn)為是最新的大一統(tǒng)理論模型，M理論認(rèn)為：歷史上五種不同的弦論在本質(zhì)上被證明是等價(jià)的，它們可以從11維時(shí)空的M理論導(dǎo)出。）

寫到這兒，這一段物理詩(shī)史基本可以告一段落。從黎曼、愛(ài)因斯坦的重力場(chǎng)，到量子力學(xué)，到超重力論，到超弦理論，到M理論，人類歷史上這些偉大的智慧頭腦，前赴后繼探尋宇宙的真理，已經(jīng)為我們描述了宇宙誕生的全過(guò)程，也就是開(kāi)始于10E－34秒的創(chuàng)世時(shí)間表。

讓我們一起看看，弦論以降，科學(xué)到底是怎樣解釋我們所存在的這個(gè)宇宙的：

Ⅰ、宇宙的誕生

正如我們之前所介紹的那樣，創(chuàng)世的剎那，開(kāi)始于“大爆炸”Big Bang，自10E－34秒開(kāi)始，歷經(jīng)150億年形成我們今天的宇宙。

宇宙“大爆炸”的實(shí)驗(yàn)證據(jù)主要有以下四點(diǎn)：

1、經(jīng)由測(cè)量恒星光線的扭曲的現(xiàn)象，一再證實(shí)恒星正以高速遠(yuǎn)離我們而去，而且，離我們?cè)竭h(yuǎn)的恒星或星系，會(huì)以越高的速度遠(yuǎn)離我們而去；

2、“大爆炸”理論預(yù)測(cè)宇宙中氦與氫的比例應(yīng)該接近25% : 75%，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與該預(yù)測(cè)高度吻合；

3、通過(guò)對(duì)放射性物質(zhì)衰變的測(cè)量，我們可以為地球上的巖石和隕石斷年，目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何物體可以追溯到“大爆炸”之前；

4、“大爆炸”產(chǎn)生了宇宙回音，這種微波輻射至今仍在宇宙回響，一九六五年，人類偵測(cè)到了這個(gè)微波背景輻射（microwave backgroundradiation）。

Ⅱ、宇宙的滅亡

我們先看看每顆恒星的生命歷程：

恒星由大量氫氣聚合形成，氫元素融合形成氦，由于氫質(zhì)子的重量超過(guò)氦質(zhì)子的重量，因此氫聚合成氦時(shí)就會(huì)有多余的質(zhì)量，這些質(zhì)量依據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)－能公式?E＝mc2成為能量，這個(gè)能量將原子核束縛在一起，并將部分能量釋放出來(lái)，使太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱。

之后，經(jīng)過(guò)數(shù)十億年光陰，氫氣逐漸耗盡，核熔爐逐漸熄滅，重力成為優(yōu)勢(shì)作用力使恒星兩次塌陷，恒星溫度此時(shí)會(huì)急劇升高，成為“紅巨星”，再然后成為“白矮星”，“白矮星”爆炸成為“超新星”和“中子星”，“中子星由于重力繼續(xù)塌陷，最后成為“黑洞”。

在這一歷程中，恒星內(nèi)部的元素按照“結(jié)合能量曲線“依次變化。

恒星中的氫元素按照這個(gè)曲線一再融合成為更重元素之后便會(huì)到達(dá)鐵，而無(wú)法再制造出額外的能量，這時(shí)，恒星崩潰并釋放出大量熱量，超新星于焉誕生，這種劇烈爆炸將星體炸碎并將殘骸遍灑星際空間，成為孕育新恒星的種子。

在描述完恒星的生命周期后，我們?cè)倏纯窗瑹o(wú)數(shù)顆恒星并見(jiàn)證無(wú)數(shù)次恒星生滅的宇宙本身，它將何去何從？

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，宇宙的結(jié)局無(wú)限悲泣。要么，就是不斷膨脹，直到溫度接近絕對(duì)零度；要么，就是大崩墜，收縮成一團(tuán)火球。如果宇宙是一個(gè)無(wú)限邊界的開(kāi)放宇宙，它就會(huì)被“冰”毀滅；如果宇宙是一個(gè)有邊界的封閉宇宙，它就會(huì)被火毀滅。

物理學(xué)家通過(guò)平均密度來(lái)判斷宇宙到底是不斷膨脹還是會(huì)逆轉(zhuǎn)走向大崩墜，如果宇宙平均密度小于10E－29 克/立方公分，宇宙就會(huì)不斷膨脹，否則，將會(huì)陷入大崩墜。

量子力學(xué)還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質(zhì)子和中子衰變。根據(jù)大一統(tǒng)理論，我們所知道的一切物質(zhì)，包括太陽(yáng)系和地球、也包括智慧生物身體內(nèi)的質(zhì)子和中子最終都會(huì)分解。

問(wèn)題是：產(chǎn)生宇宙的大爆炸之前是什么？

在了解了恒星乃至整個(gè)宇宙的生命歷程之后，必須要回答的問(wèn)題是：在這個(gè)剎那之前吶？是否有那個(gè)第一推動(dòng)力？或者說(shuō)，是否有那個(gè)點(diǎn)燃Big Bang的上帝存在吶？

數(shù)百年來(lái)，伴隨著科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不斷積累，宗教界關(guān)于上帝存在的堅(jiān)持已經(jīng)退守到這樣一個(gè)境地，那就是說(shuō)：大霹靂之前到底發(fā)生了什么？牛頓生前并沒(méi)有能夠解答這個(gè)關(guān)于“第一推動(dòng)”的問(wèn)題，他把它歸功于“上帝之手”。

但事實(shí)上，以超弦理論為集大成者，今天的科學(xué)家群體，不僅給出了Big Bang創(chuàng)世之后的宇宙發(fā)展歷程（包括宇宙消亡的歷程），同時(shí)也給出了Big Bang之前的宇宙存在的假說(shuō)，那就是關(guān)于平行宇宙、黑洞、蟲(chóng)洞等相關(guān)理論。這些理論在解答了“第一推動(dòng)”這個(gè)疑問(wèn)的同時(shí)，再次撼動(dòng)了上帝存在的證明。

昔日尼采有言“上帝已死”，現(xiàn)在霍金在《大設(shè)計(jì)》第一頁(yè)上就宣稱“哲學(xué)已死”，因?yàn)椤罢軐W(xué)跟不上科學(xué)，特別是物理學(xué)現(xiàn)代發(fā)展的步伐”。這是一個(gè)極為傲慢的“宣言”。他的意思是，世界本源是所有哲學(xué)流派的終極思考，而現(xiàn)在科學(xué)界已經(jīng)給出了世界本源和宇宙發(fā)展的全部解釋，所以，哲學(xué)的使命已經(jīng)終結(jié)了。

的確！“唯物”、“唯心”，甚至“客觀存在”，都已經(jīng)被量子理論、超弦理論徹底動(dòng)搖！

與此同時(shí)，上帝也被霍金“掃地出門”，他在《大設(shè)計(jì)》末尾宣稱：因?yàn)榇嬖谙褚@樣的法則，所以宇宙能夠“無(wú)中生有”，自發(fā)生成可以解釋宇宙為什么存在，我們?yōu)槭裁创嬖凇Ｋ浴安槐仄砬笊系廴c(diǎn)燃導(dǎo)火索使宇宙運(yùn)行”。也就是說(shuō)，上帝現(xiàn)在不再是必要的了。（請(qǐng)參看霍金《哲學(xué)已死》，朱清時(shí)《物理學(xué)步入禪境：緣起性空》）

5霍金，平行宇宙

黑洞是使霍金名滿天下的研究，在那之后，他創(chuàng)立了量子宇宙學(xué)（quantum cosmology），以愛(ài)因斯坦的古典宇宙學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，再將整個(gè)宇宙量子化，試圖完成那個(gè)前輩物理學(xué)家的未竟事業(yè)“統(tǒng)一場(chǎng)論”，統(tǒng)合小到夸克、大到銀河星際甚至整個(gè)宇宙的所有自然律。事實(shí)上，霍金的理論甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的宇宙！

他的新構(gòu)想是將整個(gè)宇宙看成一個(gè)量子粒子，用宇宙波函數(shù)來(lái)描述多重宇宙（不止一個(gè)，是無(wú)數(shù)個(gè)宇宙）的無(wú)窮集合。按照霍金的理論，我們的宇宙，只是無(wú)數(shù)的平行宇宙之一，每個(gè)宇宙都透過(guò)復(fù)雜的蟲(chóng)洞系統(tǒng)與其他宇宙相連結(jié)。

如果霍金說(shuō)的沒(méi)錯(cuò)，世上就存在著無(wú)數(shù)的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常數(shù)，大多數(shù)宇宙都是一片死寂，不具備孕育生命的物理定律。但是在某一個(gè)宇宙中，它的物理定律恰好符合生命的條件，這就是我們的宇宙。

如果這種理論屬實(shí)，我們就不必把生命的起源歸諸于上帝。

宇宙航行 & 遁入高維度宇宙

前文說(shuō)過(guò)，太陽(yáng)系乃至這個(gè)宇宙，終究難逃消亡的命運(yùn)。那么，智慧生物是否作為宇宙的一部分因而最終難逃滅亡的宿命吶？

我們的希望，就在十維宇宙和超弦理論！

按照超弦理論，我們的宇宙誕生于一個(gè)十維宇宙，由于這個(gè)十維宇宙的對(duì)程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在“大爆炸”時(shí)分解為一個(gè)四維宇宙（我們現(xiàn)在的宇宙）和一個(gè)六維宇宙。四維急劇膨脹，歷經(jīng)150億年形成了我們今天的宇宙；而六維宇宙則急劇收縮成為一個(gè)10E－32公分的微小世界。

這個(gè)六維宇宙在哪里？它就在我們的周圍！只是因?yàn)樗⑿∫灾劣跓o(wú)法觀測(cè)得到。假如，我們能夠觀測(cè)得話，它會(huì)是什么樣子吶？這是近幾十年內(nèi)大量數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家研究的課題。其中，以華裔科學(xué)家丘成桐命名的卡拉比－丘流形是比較得到認(rèn)可的一個(gè)答案。

上圖是一個(gè)六維卡拉比－丘流形的二維截面圖。也是說(shuō)，該圖相當(dāng)于是一個(gè)六維空間的“影子”。

接著說(shuō)，當(dāng)我們的四維宇宙崩潰時(shí)，與大爆炸那一刻相反，原本收縮的那個(gè)六維宇宙開(kāi)始慢慢展開(kāi)，智慧生物有機(jī)會(huì)在這一個(gè)瞬間，由四維宇宙逃入六維宇宙，獲得新生。

這一個(gè)過(guò)程，需要我們掌握更強(qiáng)大的力和能量，才能駕控宇宙，獲得新生。舉例說(shuō)：那時(shí)我們需要極高速的宇宙飛船，但根據(jù)狹義相對(duì)論我們知道我們永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速，那么我們?cè)趺纯缭絼?dòng)輒以光年計(jì)數(shù)的漫漫長(zhǎng)路吶？不違反愛(ài)因斯坦的自然律而又能夠?qū)崿F(xiàn)可能的時(shí)空跨越的方法，就是人為把時(shí)空彎曲。

打一個(gè)容易理解的比方，就好比在地毯的另一邊有一個(gè)瓶子，我們不需要走到地毯的那一邊去拿到它，我們可以坐在原地，把地毯逐漸拉向我們，通過(guò)使地毯逐漸卷曲，來(lái)拉近我們和瓶子的距離，以這樣的方法最終拿到瓶子。

這就是不需要跨越距離，但是卻可以從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)的方法：彎曲時(shí)空。而彎曲時(shí)空所需要的能量，是我們現(xiàn)在所掌握能量的一千億倍。這就是統(tǒng)合自然力的目的所在。

前文說(shuō)到，量子力學(xué)還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質(zhì)子和中子衰變。根據(jù)大一統(tǒng)理論，我們所知道的一切物質(zhì)，包括太陽(yáng)系和地球、也包括智慧生物身體內(nèi)的質(zhì)子和中子最終都會(huì)分解。

那時(shí)，智慧生物就需要用新的質(zhì)子和中子合成新的原子核。這同樣需要巨大的能量，和彎曲時(shí)空所需要的數(shù)量級(jí)相當(dāng)。這也是統(tǒng)合自然力的意義所在。

6結(jié)語(yǔ)

我們贊美數(shù)百多年來(lái)科學(xué)進(jìn)步過(guò)程中的這些先驅(qū)，是他們智慧的心智，讓我們?nèi)祟愔粦{借頭腦和一些工具，就可以計(jì)算出支配數(shù)十億光年外的物質(zhì)的定律，我們只有微不足道的能源，甚至還沒(méi)有離開(kāi)太陽(yáng)系，但我們已經(jīng)知道恒星深處的核子反應(yīng)或原子核內(nèi)的情況。

我們?cè)谶@個(gè)不起眼的小行星上發(fā)現(xiàn)的物理定律，卻適用于宇宙的各個(gè)角落，我們的思想能了解并控制星星的宇宙法則，我們體內(nèi)的原子原是某個(gè)恒星的核融合反應(yīng)的產(chǎn)物，我們的原子比山的年代還久遠(yuǎn)，我們是由宇宙塵造成的，這些原子又凝聚成能了解宇宙法則的智慧生物。

讓我們以霍金的一段話作為結(jié)語(yǔ)：

“如果我們真能發(fā)現(xiàn)一個(gè)完全的理論，如果我們能討論出答案，這將是人類理智的最大成就－屆時(shí)我們就能知道上帝的想法了?！?/p>

本文轉(zhuǎn)載自 鋅科技 ，文章素材主要摘錄自加來(lái)道雄的《Hyperspace》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。