物理宇宙（二）

刚开始，空间区域的每一点暴胀场的势能都很高，量子抖动把空间迅速分化成不同的区域，在有些地方，暴胀场的势能很小，有些地方很大。

场的高取值引发空间的快速膨胀，由于场具有均匀性，所以膨胀出来的空间也是具有高能量的暴胀场，这样会导致更多区域充斥着相同的高取值的场。

高取值的场又会进一步引发新的暴胀，就像病毒性传染病蔓延一样，一旦发生暴胀，就永远停不下来。

但由于量子抖动倾向于把暴胀场的势能降低，所以高势能的暴胀场所占据的空间会减少，我们身处的宇宙就是暴胀场取值降低的区域。

这样宇宙就有了一幅新的面貌，想象宇宙是一块超巨大的奶酪，其中干酪质的部分代表暴胀场取值较大的区域，孔洞部分代表暴胀场取值较小的区域。

奶酪中的孔洞就像我们现在的宇宙，超快速的膨胀已经停止，暴胀场的能量转化为各种物质粒子，这些粒子随着时间的推移，逐渐形成星系、恒星、行星。

量子抖动会让宇宙奶酪随机的不断的出现新的孔洞，出现在奶酪的各个位置，而干酪质的部分（高取值的暴胀场）也会永不停息的膨胀。

咱们“跳出三界外”的看整块宇宙奶酪，会发现它的干酪质一直地在膨胀、膨胀，在膨胀的过程中，也有许许多多孔洞出现在随机的位置。

每一个孔洞都是一个宇宙，像泡泡一样的，又叫做泡泡宇宙。

泡泡宇宙听起来小，但别被想象力束缚，在暴胀理论中，泡泡指的是整个宇宙的广袤空间，镶嵌在更为广阔的宇宙结构（奶酪）中。

宇宙结构中的每一个泡泡都是一片真实的、巨大的、变化的空间——就像我们的宇宙一样。

在布莱恩·格林的《隐藏的现实》一书中的前三章，讲解了两种平行宇宙模型——百纳被平行宇宙和暴胀平行宇宙，接下来的三种平行宇宙模型都跟超弦理论有关，因此在说这三种平行宇宙模型之前，得先了解下超弦理论。

超弦理论被布莱恩·格林称为最精妙的理论，数学计算上都相当完美，就是苦于没有实验作为依据来佐证。

他在书中列举了几种佐证超弦理论的证据，其中包括引力波，咱们就先从引力波说起。

2017年的诺贝尔物理学奖颁发给了三个平均年龄超过80岁的大佬，是他们构思和设计了激光干涉仪引力波天文台 LIGO，并对直接探测引力波做出杰出贡献。

当时新闻媒体发出引力波被探测到的消息后，好像还引起了轰动，甚至有跳梁小丑在耍猴舞台上粉墨登场蹭引力波的热度。

引力波是万万没想到啊，穿越这么长这么久的时空，大老远赶到地球，还要惹一身骚。

时间和空间会在质量面前弯曲，时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传播开来，就像物体在水面上运动产生涟漪一样，那种时空涟漪就是引力波。

早在1915年，爱因斯坦预言了引力波的存在，并预言比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等事件可以产生引力波。

而在布莱恩·格林书中描述的是一根长长的弦发生振动时，产生的时空涟漪（也就是引力波）形状会非常与众不同，因此就会产生一个清晰观测信号。

在超弦理论中，一个基本“粒子”的质量和不同力荷的性质是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。

因此按理来讲，弦的尺寸是非常小的，但假设你能以某种方法抓住一根弦的话，就可以把它拉长。

你得使出10^20吨的力气，但是想要把弦拉长只要施加能量就够了。

科学家发现一种奇怪的情况，某些天体的物理过程也许可以提供这种拉长用的能量，所产生的弦会在太空中飘荡。

虽然它们离我们很遥远，但这些弦也许可以被探测到。

看过刘慈欣科幻小说《球状闪电》的人，可能已经将这种长长的弦跟小说里面提到的宏原子相类比起来了。

想象是可以按照宏原子的模型想象，但可能具体细节上不同。

现在正式讲到超弦理论。

我们都知道，物理学有好几个体系，如果是日常生活中使用的物理学，那么牛顿的经典力学和法拉第、麦克斯韦的经典场论那是经典得不能再经典了。

但如果一物体的速度远远超出我们的日常所见的物体的速度，我们要研究它，就要用上狭义相对论了，恰好那个物体质量又非常之大，大到可以弯曲时空，这样就得让广义相对论进场了。

因此广义相对论是描述大质量物体的理论，当我们深入微观世界，研究各种基本粒子时，广义相对论就用不上了，这就走到了量子力学的地盘。

广义相对论跟量子力学在各自地盘上都有出色的表现，但这俩儿理论就是势如水火，不可相融，当它们遇到质量超级大，体积超级小的家伙，它们就很难受了。

那个家伙可以是黑洞，也可以是宇宙大爆炸最初的奇点。

19年上半年黑洞照片的问世，让一些长年念叨着黑洞也许不存在的人闭上了嘴，科普界的人们再也不用忍受它们的质疑了。

想要研究黑洞这个东西，必定是要融合广义相对论和量子力学，而超弦理论正是来拯救这俩儿水火不容的哥们儿的。

超弦理论是如何融合广义相对论和量子力学的呢？

广义相对论和量子力学融合在一起又会出现什么矛盾呢？

这要从四种基本的相互作用力说起。

宇宙中有四种相互作用力，分别是电磁力、强核力、弱核力、引力，我称之为“四大天王”。

这四天王中的三个天王都很聊得来，玩得很好，都能在一个叫做“量子场论”的环境下愉快得玩耍，而唯独那个叫“引力”的天王，性格怪异孤僻，它不喜欢“量子场论”，把“量子场论”比作一栋房子的话，它是不会踏进这栋屋子一步，要是非得强行将它放进这栋屋子，它会把整栋屋子都掀翻咯。

量子场论是什么呢？

其实就是科学家用量子力学来描述场的概念。

场的概念，很多人不会觉得陌生，电子有电场，磁铁有磁场。

而量子场论是说，不光光是电子，那些基本粒子都有场。

场都有取值，麦克斯韦将空间中每一点场的强度和方向表示成各种数字。

量子场论有两个基本特征，一个是量子的不确定性会导致空间中每一点场的取值发生随机抖动；第二是场是由无穷小的粒子组成的，这叫做场的量子，就像水是由H2O分子组成的。

对于电磁场来说，光子就是量子。

你可能很难想象你站在电灯泡下，灯泡每秒钟有1万亿亿个光子打在你身上。

但确实没有任何实验结果违背了量子场论。

实验数据以惊人的精度验证了量子场论描述电磁力的方程，这个理论叫做量子电动力学。

相同的，弱核力和强核力也正好能纳入量子场论的框架结构，这两种作用力可以用场的方法精确描述（弱核场和强核场）。

好了，到目前为止，“三大天王”都完美的融合在量子场论里去，当科学家们满怀希望的把“引力天王”移居到“量子场论屋”内时，灾难骤然降临。

我们知道，广义相对论和量子力学都有各自的方程，科学家们将这者的组合方程去计算一个数值，这个数值是考虑电磁力的排斥作用和引力的吸引作用时，两个电子碰撞后发生反弹的概率。

计算结果是——无限大。

这就很荒唐了，概率的取值必须是在0-1之间，或者说是0%-100%之间，无限大的概率完全没有意义，它不能说明某件事必然发生，或很可能发生。

物理学家把失败归咎于量子不确定性产生的抖动。

但分析强核场、弱核场、电磁场的抖动时数学计算是挺完美的，就是用在引力场的时候，出现了无限大的概率这种灾难。

这个时候弦论风尘仆仆赶来了。

它一进门就说：以前啊你们把自然界的基本成分想象成点状（没有内部结构）的粒子，要我说，基本粒子并不是点状的，其实是微小的、弦状的振动细丝。

你们为啥用粒子加速器看不到弦状的结构呢？

那是因为弦的尺寸太小啦，跟普朗克长度差不多，就好像你们在冥王星上看地球，没有借助精准的仪器看，看到的地球的模样只能是一个点，而不知道它是一个球体，同样的，即使用世界上最先进的粒子加速器研究弦的模样，结果还是一个点。

尽管用最精密的设备也无法分辨出弦的1维结构，但根据弦理论，粒子都是弦。

不同种类的粒子中包含的弦都是一模一样的，只不过振动的模式有所不同。

弦以不同的振动模式产生不同类型的粒子。

有人会问：这弦论不就是把物质基本组分由粒子变成弦么？

它有什么作用呢？

又是怎么融合广义相对论和量子力学的？

弦论的作用可大着呢！

首先从解释基本粒子开始，众所周知，随着技术手段的更新，目前发现的基本粒子是越来越多，没有哪个人就敢断定这宇宙中就只有多少多少种基本粒子，以后都不会发现新的粒子，而振动的弦不仅能够解释目前已发现的粒子，还能够有助于发现未知的粒子类型。

弦论不像拼图那样，逐步建立起对世界的完整描述，它试图一步到位。

其次，在弦的各种可能的振动模式中，有一种模式恰好能够描述引力场对应的量子粒子的性质。

在弦论之前，科学家就预言有引力场对应的粒子叫做引力子，这种引力子必然没有质量，不带电荷，其中一种量子力学性质必然是自旋为2。

弦振动模式的清单上正好有一种能够满足引力子所要求的性质。

引力子的出现或许能够提供人们追寻已久的量子引力理论。

关于弦理论，还有个重要的东西就是额外维度。

可能大家基本上都听说过“四维空间”、“多维空间”、“十一维空间”之类的词，也对这些高维空间充满着好奇。

其实这些在弦论里叫做额外维度。

额外维度蜷缩在极其微观的层面上，成很小的一团，所以很难被我们看到。

举个例子，有根长长的吸管，像东方明珠一样笔直地耸立着，高耸入云，我们从很远的地方看这根吸管，看到的只是一条线状，并不能看到吸管还有个圆形的小维度，虽然这个维度存在于吸管垂直方向的每一处，于是我们会错误的认为，遥远的这根吸管是1维的，而不是2维的。

当然这只是个例子哈，如果某个物体真的是1维的，那么它是无法反射光子，我们也无法看到的。

上面说的“看到”是指用各种仪器或者其他方法检测到。

再打个比方，比如你乘坐飞机经过某个很宽广平坦的地形，地面上铺着一张巨大的地毯，你从飞机上往下看，会直接得出结论，说这个地毯是2维的，但如果你从飞机上下来，近距离观察这个地毯，你会发现其实地毯上有绒面——平坦的地毯上，每一点都附着毛茸茸的小圈棉花。

地毯上有两个显而易见的维度，但还有一个不易发现的维度。

弦理论家们认为空间也是如此，空间远远不止3个维度，那些额外的空间维度蜷缩起来，变得格外微小，只有原子的数百万甚至数十亿分之一，以我们现在的技术，无论如何也检测不到蜷缩的维度。

那么一些人口中所说的多维时空是怎么回事呢？

也就是假如时间算1维，空间有9个维度的话，那么弦理论的某个方程就显得非常合理了。

用最简单最简单的方法来说明就是——（D-10）乘以（麻烦）。

D代表的就是时空的维数。

如果宇宙中只有3个空间维，1个时间维的话，那么这个方程就会出现麻烦，变得不合理，物理学家们就假设有十维时空，这样（D-10）就等于0，0乘以任何数都得0，这样的话，麻烦就消失了。

但是值得注意的是别想当然的以为弦理论的方程就做做加减法，以上只是个形象生动的例子而已，这个例子也告诉我们，关于多维空间的概念，还停留在数学计算中，大家想象不出来多维空间是什么个鬼样子很正常。

前面说过，基本粒子的性质（比如质量和电荷）由弦的振动模式决定，而研究额外维度之后，我们会发现真正决定这些性质的其实是额外维度的大小和形状。

弦是如此的微小，它们并不只在日常经验的3个宏观维度中振动，而且它们也会在蜷缩的微观维度中振动。

正如空气流过吹奏乐器时产生的振动模式取决于乐器的几何形状，弦论中弦的振动模式也取决于蜷缩维度的几何形状。

但没人能搞清楚额外维度的几何形状究竟是什么样子，不过它们应该是形态各异的，因此关于弦论的平行宇宙模型，也跟这些形态各异的额外维度有关。

至此，弦论暂时先了解到这里，上面还有一些问题没有说清楚，比如我用了“弦论”和“超弦理论”两个词，也没有对这两个词分别解释，很容易造成误解，超弦理论当然是比弦论更完善的理论。

超弦理论中的“超”是什么意思，以及关于该理论的卡拉比-丘形态和各种类型的超弦理论合起来称的“M理论”，以后在拆解概括布莱恩·格林的另一本书《宇宙的琴弦》这本书时，再续详谈。

从小到大，我们看过的听过的较多的一种关于人生的言论就是轮回，无论是电视剧、电影、音乐，还是道听途说，都会听到“这辈子”、“下辈子”、“来生”之类的词汇。小时候，我也是相信人死了就转世投胎，重新开始。

长大后，才觉得这只是一种无稽之谈而已，没有任何“证据”表明人有几辈子。

人的确没有多少辈子来挥霍，每个人只有一辈子，人生不过百年，一个人死了，包括那个人的自我意识在内的一切都没了。

人生没有循环、轮回，但超弦理论却得出一个宇宙有循环、轮回的猜测结论。

这便是超弦理论推导出的一种平行宇宙模型：循环宇宙模型。

我们看到的感受到的宇宙是一块3维膜，并且正在高维的空间中滑行。

我们的附近存在其他的膜，如果我们撞到其中一块平行的膜上，运动中蕴含的巨大能量会迸发出炙热的粒子和辐射，它们足以毁灭膜宇宙中的任何组织结构。

粒子从极端炙热、高度致密的环境中喷涌而出，这场景听起来就像刚刚发生了一场宇宙大爆炸。

两块膜的碰撞毁灭了之前形成的一切结构，包括星系、行星和智慧生命，从而为宇宙重生做好准备。

碰撞之后的膜并不会粘在一起，而是会发生反弹，它们向对方施加的引力会逐渐减慢彼此间的相对运动，最终，它们分开的距离达到最大值，然后再次相互靠近。

当两块膜相互靠近时，又获得了相对速度，随之发生碰撞，紧接着，每块膜又回到大爆炸，从而开启一个宇宙演化的新时代。

这种宇宙的本质是，世界在时间中反复循环，于是形成一种新型的平行宇宙，这就是循环平行宇宙。

上面几段引入了一个新概念---膜，什么是膜呢？

膜理论是弦理论的升级版本。

物理学家在进行非常复杂的计算的时，常常会采用微扰近似的方法，也就是忽略掉一些细节再进行计算，比如计算地球的运动时，简单的计算方法就是算上太阳的引力，如果把月球的引力也算上去了，那计算的复杂程度就会明显上升。

用微扰的方法虽然减少了计算的难度，但必定会产生忽略一些细节的问题，这些细节可能是非常关键的。

20世纪80年代，理论发现弦论并非只有一种，而是存在5种不同的版本。

它们分别是：I型、IIA型、IIB型、杂化-O型、杂化E型。

用微扰方法计算弦理论I型时，计算还算完美。

但用这种方法计算其他版本的弦理论时，就无法得出可靠的结论。

后来弦理论学家发现一个奇妙的事，这五种版本的弦论可以互相转化。

如果一种版本的弦论无法进行微扰计算，那么就可以将它转化成可以用微扰计算的那个版本。

表面上看起来完全不同的理论能够相互转化，物理学家称之为“对偶”。

5种弦理论可以通过一种对偶的网络联系在一起，这个联合体叫做“M-理论”。

因为它是包罗万象的理论，也可以叫它“母理论”，另外一种翻译就是“膜理论”。

之前我们所认识的弦理论是说万事万物最基本的构成是一根像橡皮筋的弦，后来科学家深入思考，为什么是弦呢？

为什么不能有其他东西呢？

弦论之中只有弦的观点开始松动了。

弦论中还有一种形状像飞盘或飞毯一样的2维体：膜。

也叫做2维膜。

不仅如此，还存在一种3维物体，叫3维膜，还存在一种4维物体，叫4维膜，等等，以此类推，直到10维膜。

这些实体就像弦一样，都可以发生振动和摆动，换句话来说，弦就是1维的膜。

在M-理论里，宇宙包含10维的空间加1维的时间，时空维度一共11维。

在新的一种平行宇宙的模型里，膜是最核心的元素。

之前的老版本弦论中，弦并非就是很小的，在足够高的能量注入下，弦可以拉的很长，长长的弦振动会产生引力波，我们可以通过探测这种引力波来发现弦可能存在的实验信号。

弦是1维的膜，它能够被拉长，同理可得，3维膜也可以变得很大。

如果有一块3维膜非常大，也许可以无限大，它将会将我们占据的空间充满，就像水会把巨大的鱼缸充满，这种情况表明，与其把3维膜看成3维空间中的一个物体，倒不如把它想象成空间本身的基底。

正如鱼栖息在水中，我们生活在一块充满整个空间的3维膜上。

当我们奔跑和漫步时，当我们生活和呼吸时，当我们牵手走在成都玉林路上时，我们就在一块3维膜中穿行。

但我们把3维膜和3维空间联想起来的时候，也不要忘了，弦理论中的空间维度不止3个，高维空间可以容纳的东西不止是一块3维膜。

虽然我们很容易想象2个普通的3维物体位于某个空间区域内，但很少人能想象2个（或多个）同时存在却各自独立的3维实体，其中每个实体都能将3维空间完全充满。

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