科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：通古斯外星飛船之謎: 通古斯隕石是一個(gè)微弱的黑洞
現(xiàn)在，出現(xiàn)了兩種非常重要的理論，第一個(gè)名為環(huán)圈量子重力。這個(gè)理論完全地繼承了的相對(duì)論中的精華部分，但是改變了與量子理論之間的關(guān)系。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，環(huán)圈量子重力領(lǐng)域已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且取得了一些重大成果。但是，想要解決重力的量子化，還需要繼續(xù)進(jìn)行改革。1934年曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)類似的問(wèn)題，那個(gè)時(shí)候，費(fèi)米提出了弱核力有效理論，使很多理論物理學(xué)家感到十分困擾。想要在費(fèi)米的量子理論領(lǐng)域做出突破的努力都以失敗告終。后來(lái)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，想要取得突破并非要使用新的技巧，而是要從根本上對(duì)這一理論進(jìn)行改良。格拉肖、溫伯格和薩萊姆在20世紀(jì)60年代晚期完成了這個(gè)任務(wù)。
第二個(gè)說(shuō)法就是弦理論。這是真正對(duì)理論的革命性改良，因此我們將重點(diǎn)討論這一理論；環(huán)圈量子重力理論也有很多擁躉，在這一理論的指導(dǎo)下也得出了許多相同的結(jié)論。在所有試圖對(duì)宇宙大爆炸之初做出解釋的理論中，弦理論是最成功的。這個(gè)理論中所謂的弦，是和小提琴的琴弦類似的物體。當(dāng)小提琴手演奏時(shí)，會(huì)用手指把琴弦按在琴把上，并來(lái)回移動(dòng)，目的是讓琴弦的長(zhǎng)度發(fā)生變化，改變琴弦的振動(dòng)頻率，使它發(fā)出不同音調(diào)的聲音。如果將琴弦的尺度縮短到比原子還小，量子理論就會(huì)出面干涉，不讓這根弦變得更短。
1968年，科學(xué)家們提出了弦理論。這種理論真正對(duì)的相對(duì)論進(jìn)行了改良，并且能夠更好地解釋宇宙的本源。如果我們的宇宙是一個(gè)具有多重維度的薄膜，在高維空間中運(yùn)動(dòng)，那么宇宙大爆炸就可能是我們的宇宙與另一個(gè)平行宇宙發(fā)生碰撞的結(jié)果。這種碰撞可能會(huì)反復(fù)發(fā)生，宇宙中的星系會(huì)沿著沙漏狀的路徑在平行時(shí)空中來(lái)回穿越。
弦理論的基本概念是，基本粒子不是以點(diǎn)狀存在的，而是一維空間的細(xì)長(zhǎng)物體，就像琴弦一樣。在數(shù)量眾多的基本粒子中，每一種基本粒子的性質(zhì)都十分獨(dú)特。對(duì)應(yīng)的在琴弦上可能反映出不同的振動(dòng)頻率。這樣簡(jiǎn)單的理論是如何解釋粒子之間的復(fù)雜相互作用的呢？把量子力學(xué)應(yīng)用在振動(dòng)的弦上，就能夠表現(xiàn)出全新的性質(zhì)。這套弦和小提琴的琴弦并無(wú)實(shí)質(zhì)的區(qū)別，振動(dòng)在弦上以光速向前傳播。不管是對(duì)量子物理理論還是對(duì)宇宙學(xué)來(lái)說(shuō)，這些性質(zhì)都能帶來(lái)重要的啟示。
首先，弦理論中的量子弦大小存在區(qū)別。如果不考慮量子效應(yīng)，小提琴的琴弦可以無(wú)限地對(duì)切再對(duì)切，一直重復(fù)下去，最終變成質(zhì)量為0的粒子。但是到最后階段，不確定性原理會(huì)發(fā)揮作用，防止弦最終小于10-34米這一尺度。這個(gè)無(wú)法繼續(xù)向下分割的長(zhǎng)度可以記為ls。這個(gè)數(shù)值是弦理論中引進(jìn)的最新的常數(shù)，可以和光速c和普朗克常數(shù)h并駕齊驅(qū)。在弦理論中的每個(gè)方向，這個(gè)常數(shù)都具有決定性的作用。把可能為無(wú)限大或者無(wú)限小的物理量的上下限進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。
第二，即使一個(gè)量子弦的質(zhì)量為0，也可以具有角動(dòng)量。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，角動(dòng)量是物質(zhì)在圍繞著一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)具有的性質(zhì)。因?yàn)橛?jì)算角動(dòng)量的公式需要使用到物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)值，所以一個(gè)質(zhì)量為0的物體不具有角動(dòng)量。但是在量子力學(xué)范疇，一個(gè)微小尺度下的弦能夠在質(zhì)量為0的情況下，產(chǎn)生最多為兩個(gè)h單位的角動(dòng)量。這種特點(diǎn)十分具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟軌蚍夏壳八幸阎幕咀饔昧d體的性質(zhì)，其中包括傳播電磁力的光子和傳遞引力的引力子。在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，正是角動(dòng)量使物理學(xué)家們注意到弦理論中包含量子重力。
第三，量子力學(xué)的弦理論，要求在日常存在的三維空間以外，存在其他的額外維度。在經(jīng)典力學(xué)理論中，小提琴的琴弦無(wú)論在哪種時(shí)空的性質(zhì)中都能夠產(chǎn)生振動(dòng)，但是在量子力學(xué)中，弦理論具有更高的要求。只有在時(shí)空高度彎曲的時(shí)候，琴弦才能發(fā)生振動(dòng)。另外一個(gè)條件是三維空間之外存在一個(gè)包含六個(gè)額外維度的空間。
第四，在這個(gè)理論方程中出現(xiàn)的物理常數(shù)不具有一個(gè)任意的固定值。物理常數(shù)通常能夠決定大自然的性質(zhì)，包括常數(shù)和庫(kù)倫常數(shù)等。在弦理論中，這些常數(shù)以場(chǎng)的形式出現(xiàn)，比如電磁場(chǎng)，并能夠隨時(shí)對(duì)它們的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。在宇宙發(fā)展的不同時(shí)期，或者在宇宙中的不同區(qū)域，這些常數(shù)都可能具有不同的值。直到今天，這些常數(shù)在微小尺度上還會(huì)發(fā)生變化。如果能夠觀察到這種變化，就能進(jìn)一步發(fā)展弦理論。
弦理論中的縮放子就是一種這樣的場(chǎng)。在弦理論中，它是很關(guān)鍵的場(chǎng)，能夠決定所有作用力的總強(qiáng)度。弦理論研究專家對(duì)這種縮放子十分著迷，因?yàn)檫@種場(chǎng)的值能夠被重新定義為一個(gè)空間維度的大小，甚至給出一個(gè)具有11維空間的高維時(shí)空。
根據(jù)弦理論建立的宇宙模型，與我們通常所能見(jiàn)到的宇宙是有區(qū)別的。在此之前，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)宇宙的微波背景輻射和超新星的距離進(jìn)行測(cè)算，得出的結(jié)果證明宇宙是平坦的、毫無(wú)扭曲的跡象。那么，為何我們通過(guò)計(jì)算得出的宇宙模型和實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果不一致呢？
薛定諤在量子力學(xué)中提出的波函數(shù)，能夠?qū)α孔蛹?jí)的物體的所有可能狀態(tài)進(jìn)行描述，而且可以將之轉(zhuǎn)化為概率論的問(wèn)題。教授想要找到的就是這樣的一個(gè)函數(shù)，通過(guò)這個(gè)函數(shù)能夠發(fā)現(xiàn)宇宙的大爆炸帶來(lái)的產(chǎn)生各種宇宙形態(tài)的概率。從這個(gè)波函數(shù)的性質(zhì)看來(lái)，宇宙發(fā)生一次大爆炸能夠產(chǎn)生很多宇宙的可能性。其中的一些宇宙能夠演化出生命，另一些則歸于沉寂。在這無(wú)數(shù)個(gè)宇宙中，一個(gè)宇宙出現(xiàn)了太陽(yáng)系，這個(gè)星系誕生了一種智慧生物，這就是人類。在各個(gè)宇宙中，生命的演化進(jìn)程和模式都可能是不同的。
教授及其團(tuán)隊(duì)展開(kāi)研究的弦理論目前并不是唯一的理論。還有一種說(shuō)法認(rèn)為宇宙常數(shù)是一個(gè)正值，而這種情況被看做是不穩(wěn)定的。如果要建立這樣的宇宙，就好比在地面上樹(shù)立起一根木頭。在木頭達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)時(shí)，它能夠保持直立，但是這種情況不會(huì)維持多久，它最終會(huì)失去平衡而倒下。所以如此看來(lái)，弦理論創(chuàng)造的宇宙模型似乎更加正確一些，而宇宙常數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，兩者能夠自洽。在教授的最新研究成果中，證明了的廣義相對(duì)論存在的缺陷與弦理論存在相關(guān)性。
另一位科學(xué)家埃爾托格認(rèn)為，波函數(shù)推導(dǎo)出的其他各種各樣的宇宙也在進(jìn)行加速膨脹，這和我們所處的宇宙空間是一樣的。因?yàn)榘凑詹ê瘮?shù)的性質(zhì)，一個(gè)膨脹的宇宙是出現(xiàn)概率的結(jié)果。普林斯頓研究院的科學(xué)家胡安認(rèn)為，要想理解這個(gè)問(wèn)題，就要把教授提出的波函數(shù)當(dāng)成是一種特殊的弦理論表達(dá)式。在埃爾托格看來(lái)，這不但是在數(shù)學(xué)意義上的關(guān)聯(lián)，而且把波函數(shù)與弦理論優(yōu)雅地結(jié)合到了一起。
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