弦、超弦和宇宙起源

1919年，一位幾乎不知名的德國數(shù)學(xué)家西奧多·卡魯扎提出了一個(gè)大膽的、從某種程度上說非常離奇的想法——我們的宇宙實(shí)際上可能不止三維，而是具有更多維度。也就是說，除了左、右、前、后、上、下之外，還有其他空間維度，只是我們目前還看不到而已。面對一個(gè)大膽而且離奇的猜想，人們的焦點(diǎn)往往在它的大膽和離奇上，但這部分與我們周圍的世界是毫無關(guān)系的。然而，卡魯扎的想法，雖然還不能斷定它是對還是不對（也許還得很多年之后才能斷定），但在20世紀(jì)，它已經(jīng)對物理學(xué)產(chǎn)生了重大的沖擊，并且現(xiàn)在仍在推動(dòng)許多尖端研究。

我們來探討一下這些其他維度。首先來了解一些背景知識。早在1907年，愛因斯坦正因發(fā)現(xiàn)狹義相對論而春風(fēng)得意，他決定做一個(gè)新課題，試圖充分理解廣泛存在的重力。在當(dāng)時(shí)，他周圍的很多人都以為這個(gè)問題早已得到了解決。17世紀(jì)后期，牛頓提出了重力理論。這個(gè)理論在當(dāng)時(shí)通行無阻，它不但正確地描述了行星和月球的運(yùn)動(dòng)，而且對我們身邊的所有運(yùn)動(dòng)都能很好地描述。

但愛因斯坦意識到還有些問題牛頓沒有解決，因?yàn)榕ｎD自己曾經(jīng)承認(rèn)，雖然他知道如何計(jì)算重力的效果，但是他搞不清楚重力究竟是如何起作用的。比如說，太陽距離地球1.5億千米，在這么大的尺度上，它是怎樣影響地球運(yùn)動(dòng)的？太陽如何穿越廣袤的空間施展它的影響力？愛因斯坦把這個(gè)問題作為自己探討的對象，研究重力如何發(fā)揮作用。

他發(fā)現(xiàn)了什么？他發(fā)現(xiàn)傳遞重力的媒介就是空間本身。這個(gè)想法的本質(zhì)是將空間想象為萬物的基質(zhì)。愛因斯坦說，在沒有物質(zhì)存在的情況下，空間是平坦的；可是一旦有了物質(zhì)存在，比如說太陽，空間的結(jié)構(gòu)就會(huì)扭曲，形成彎道，這便導(dǎo)致了重力的產(chǎn)生。就連地球也在扭曲它周圍的空間，讓月亮在其軌道上不停地運(yùn)行。按照這個(gè)想法，太陽、地球和月亮由于自身的存在，在各自所處的空間造成了扭曲，在“碾”出來的“山谷”中運(yùn)行。太陽的存在產(chǎn)生了一個(gè)彎道，使得地球沿著這個(gè)彎道運(yùn)轉(zhuǎn)。這就是重力作用的新觀念。

1919年的天文觀測肯定了這個(gè)觀點(diǎn)。愛因斯坦因而舉世聞名，卡魯扎也因此動(dòng)起了腦筋。他和愛因斯坦一樣，也在尋找所謂的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論可以用來描述自然界的所有力，是一整套思想、一整套原理，或者一個(gè)萬能的公式?？斣X得，既然愛因斯坦能夠用空間上的翹曲來描述重力（精確地說就是時(shí)空），或許他也可以用相同的游戲規(guī)則描述其他已知的力，即當(dāng)時(shí)人們所知的電磁力。

但是這里產(chǎn)生了一個(gè)問題：愛因斯坦已經(jīng)用時(shí)空和翹曲描述了重力，似乎沒有別的什么還能實(shí)現(xiàn)翹曲。因此卡魯扎說，空間也許還有更多的維度，每描述另外一個(gè)力，都需要增加一個(gè)維度，電磁力就是第四維度的翹曲。問題的關(guān)鍵就在這里：他寫出方程組來描述四維空間的翹曲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它就是科學(xué)家一直以來描述電磁力的那個(gè)公式，而不是別的什么。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他激動(dòng)得不得了，他圍著房子邊跑邊叫：“我勝利嘍！我勝利嘍！”他認(rèn)為自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了統(tǒng)一理論。

顯然，卡魯扎這個(gè)人很看重理論。有一個(gè)關(guān)于他的故事：當(dāng)年他想學(xué)游泳，就買了一本教游泳的書，看完之后他就跳進(jìn)了大海。這個(gè)人愿意為了理論拿生命冒險(xiǎn)。像我們這樣比較注重實(shí)踐的人，可以立刻從他的方程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：①如果空間有更多的維度，那么這些維度在哪里？我們?yōu)槭裁纯床坏剑竣谌绻眠@個(gè)理論解釋我們周圍的世界，把它應(yīng)用于實(shí)踐，會(huì)不會(huì)有什么問題出現(xiàn)？

第一個(gè)問題是由瑞典物理學(xué)家奧斯卡·克萊因于1926年解答的。他把維度分為兩類：一類是大的維度，容易看見；另一類維度可能非常非常小，蜷縮在某個(gè)地方，即使存在于我們周圍，我們也看不到。但是，我們可以充分發(fā)揮自己的想象力。設(shè)想你正在看一根電纜：從遠(yuǎn)處看，電纜只有一維，但是根據(jù)常識，我們知道電纜是有一定粗細(xì)的；從遠(yuǎn)處看很難知道它的粗細(xì)，但是如果我們把焦距拉近，或者設(shè)想上面有只螞蟻，一會(huì)兒直線爬行，一會(huì)兒繞行，或者順時(shí)針，或者逆時(shí)針。

這說明維度可以有兩類：大的維度和小的維度。我們身邊的大維度是很容易看到的，但是也可能有其他維度蜷縮在什么地方，就像電纜上盤繞著的鋼絲那樣，如果不就近觀察，就不會(huì)有人看見?？墒菍ξ浵亖碚f就不同了，電纜相對它是很大的空間，電纜上盤繞的鋼絲也同樣非常顯著，也許它還能看見更微小的維度。所以對我們來說，如果把空間無限放大，應(yīng)當(dāng)會(huì)有更多的維度。

再來看第二個(gè)問題。用這個(gè)理論解釋真實(shí)世界，能行得通嗎？其實(shí)，愛因斯坦、卡魯扎以及其他許多科學(xué)家當(dāng)時(shí)都在試圖優(yōu)化這個(gè)框架，用它來解釋宇宙的物理，雖然研究都很深入，但是不管用。比如說，用這個(gè)理論就無法獲得正確的電子質(zhì)量。因此，盡管當(dāng)時(shí)許多人都致力于此項(xiàng)研究，但截至20世紀(jì)四五十年代，這個(gè)奇怪但讓人著迷的統(tǒng)一物理定律已經(jīng)煙消云散?，F(xiàn)在，所有物理學(xué)家都在追尋一種新的理論，試圖對物理定律進(jìn)行統(tǒng)一，這種理論被稱為超弦理論。超弦理論的奇妙之處在于，乍一看與更多維度沒有什么關(guān)系，但是進(jìn)一步研究超弦理論就會(huì)發(fā)現(xiàn)，更多維度以一種閃耀的新形式復(fù)活了。

超弦理論試圖解答這個(gè)問題：在我們周圍的這個(gè)世界，構(gòu)成萬事萬物最基礎(chǔ)、最根本、不可再切分的最小成分是什么？設(shè)想我們觀察一個(gè)熟悉的物體，比如說一根蠟燭，然后我們試圖弄明白它的構(gòu)成。深入其內(nèi)部，我們可以看到它的原子，但這還不是最小的，因?yàn)槲覀冎涝又醒胗袀€(gè)原子核，它周圍有電子圍繞它旋轉(zhuǎn)，原子核里還有中子和質(zhì)子，中子和質(zhì)子里還有更小的微粒，叫作夸克。常規(guī)的概念就到這里為止。

在這些粒子的深處，還有其他成分——一種舞動(dòng)著的絲狀能量，看上去就像振動(dòng)著的弦，弦理論也因此而得名。這些“弦”就像大提琴上的弦，只要撥動(dòng)就會(huì)以不同的模式振動(dòng)，但它們的振動(dòng)產(chǎn)生的不是不同的音符，而是構(gòu)成我們世界的粒子。因此，如果這個(gè)理論正確的話，宇宙的極微觀景象就應(yīng)該是這個(gè)樣子：由大量這樣的振動(dòng)能量絲組成，并以不同的頻率振動(dòng)。不同的頻率產(chǎn)生不同的粒子，不同的粒子造就了我們周圍這個(gè)世界的多樣性。

在這里，我們看到了統(tǒng)一性，因?yàn)槲镔|(zhì)粒子、電子、夸克、射線粒子、光子、引力子，都是由一種實(shí)體構(gòu)成的，所以物質(zhì)和自然力都是由這些振動(dòng)著的“弦”組成的，這就是我們所說的統(tǒng)一理論。還有一個(gè)絕妙之處：研究弦理論的數(shù)學(xué)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它在只有三維空間的宇宙里不能成立，四維、五維或六維也不能成立。那么，怎樣才能成立呢？科學(xué)家認(rèn)為，只有在十個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度中才行得通。這就又回到了卡魯扎和克萊因的觀點(diǎn)：要想恰當(dāng)?shù)孛枋鑫覀兊氖澜?，它的維度就應(yīng)該比我們看見的多。

這樣一來就又產(chǎn)生了一個(gè)問題：是這些其他維度隱藏起來了，還是我們的世界擁有一些其他奧秘？下面讓我們看看這些其他維度的兩個(gè)特點(diǎn)。首先，我們中間有很多人相信這些其他維度可以用來解答理論物理中最深層的問題。在過去幾百年中，科學(xué)家得出了20來個(gè)數(shù)字，可以用來真正地描述我們這個(gè)宇宙，包括電子和夸克等的質(zhì)量、引力的強(qiáng)度、電磁力的強(qiáng)度等，精確得令人難以置信?？墒牵瑳]有人能夠解釋這些數(shù)字，沒有人知道它們?yōu)槭裁磽碛心切┚唧w的值。

弦理論能給出答案嗎？現(xiàn)在還不能，但是我們相信這個(gè)問題的答案可能要依賴這些其他維度。非常奇妙的一點(diǎn)是，如果這些數(shù)字不是現(xiàn)在的值而是其他什么，那么我們所知的宇宙就不會(huì)存在。這個(gè)問題很奧。這些數(shù)字為什么會(huì)如此適合恒星發(fā)光和行星形成？如果撥弄這些數(shù)字，整個(gè)宇宙就會(huì)灰飛煙滅。弦理論認(rèn)為，這20來個(gè)數(shù)字與其他維度有關(guān)聯(lián)，這些維度的幾何結(jié)構(gòu)極其豐富，錯(cuò)綜復(fù)雜。

以卡拉比丘的形狀為例，我們可以看到其他維度蜷縮在一起，相互纏繞，形狀和結(jié)構(gòu)都非常有趣。如果其他維度就是這個(gè)樣子，那么我們所處的宇宙的微觀景象就是這種極微小的微縮形狀，你的手一擺，周圍的這些維度就會(huì)不停地移動(dòng)。那么，這20來個(gè)數(shù)字隱含著什么物理意義呢？

觀察一件樂器，比如法國圓號，注意氣流受樂器形狀影響而產(chǎn)生的振動(dòng)。弦理論中所有這些數(shù)字反映的是“弦”的振動(dòng)方式，就像氣流受樂器棱角、弧坡的影響一樣，“弦”本身也受到它所處的結(jié)構(gòu)中振動(dòng)模式的影響。所以，如果我們能準(zhǔn)確知道其他維度是個(gè)什么樣子，就可以計(jì)算出所有可能的音符或振動(dòng)模式。更進(jìn)一步說，如果能夠計(jì)算可能的振動(dòng)模式，就可以計(jì)算出這20來個(gè)數(shù)字。如果我們計(jì)算得出的答案與那些通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的數(shù)字相符，在很多方面，這將成為對宇宙結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的首次基本解釋。

其次，如何更直接地證明這些其他維度的存在？這只是一個(gè)有可能解釋世界上從未得到解釋的特征的有趣數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，還是能夠在現(xiàn)實(shí)中驗(yàn)證其他維度存在的完整理論？我們認(rèn)為，歐洲核子研究所的大型強(qiáng)子對撞機(jī)可以為我們驗(yàn)證這些其他維度是否存在。這臺對撞機(jī)會(huì)使粒子以接近光速在隧道內(nèi)正反雙向運(yùn)動(dòng)，這些粒子時(shí)不時(shí)會(huì)正面碰撞。這樣做是希望撞擊的能量足以使一些殘骸從我們所知的維度中迸出，迫使它進(jìn)入其他維度。怎樣才能知道結(jié)果呢？我們將測量撞擊后的能量，將其與撞擊前的能量做比較，如果撞擊后能量減少了，就證明能量發(fā)生了逃逸；如果我們可以計(jì)算出逃逸的模式，就能夠證明其他維度的存在。

想象一下，現(xiàn)在有一種叫作引力子的粒子，我們期望它能夠迸出來，條件是真的存在其他維度。這將是一段了不起的歷史，一次了不起的機(jī)會(huì)。回顧牛頓時(shí)代的絕對空間，它僅僅為宇宙中的事物發(fā)生提供了一個(gè)舞臺。后來愛因斯坦說時(shí)空是可以翹曲的，這就是重力。然后又出現(xiàn)了弦理論，它告訴我們可以把重力、量子力學(xué)和電磁理論統(tǒng)一起來，但是需要擁有更多的維度。這將是我們有生之年極力驗(yàn)證的一個(gè)問題，有一定的可能性，也非常神奇！

布萊恩·葛林（1963年2月9日—）是美國著名的理論物理學(xué)家，1996年任哥倫比亞大學(xué)弦論、宇宙學(xué)和天體粒子研究中心

（ISCAP）教授。1999年，他出版了第一本科普書《宇宙的琴弦》，之后撰寫了《宇宙的構(gòu)造》《隱遁的事實(shí)》。在著名美國喜劇《生活大爆炸》（第四季）第20集中，葛林出演了他自己。