对星系团内全部星系运动状况的研究也得新金沙网投官网出相同结论

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文章关键词:新金沙网投官网,果壳中的宇宙

  “果壳中的宇宙”典出莎士比亚的《哈姆雷特》。哈姆雷特在剧中吟唱道:即便把他关在果壳中,他仍然是无限空间之王。艺术和科学是息息相通的,莎翁和霍金本就是他们各自领域中的无限空间之王。宇宙学家霍金认为,整个宇宙是由一个高维果壳状的泡泡演化而来的,果壳上的皱纹(即量子扰动)在演化中产生了今天宇宙的所有结构。 30多年来,世界上一批天才的头脑创建了一门叫做“弦论”的学科,其最新版本叫做M理论。弦论能解释所有已知的自然力(强力、弱力、电磁力和引力),所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间(霍金认为维数应是10维或11维)中的1维客体,弦的概念可以进一步推广到p胚,后者是高维空间的p维客体。霍金认为,时空就是一张推广了的“膜”,不过这张膜不是2维的,而是4维的。物理学家为此创造了一个新词brane,尽管这个词已被使用了十多年,目前似乎尚未被牛津词典收入,在我国的一些学术文章中将它译为“胚”。当p等于零时,胚就是点粒子;当p等于1时,胚就是弦;当p等于2时,胚就是膜(menbrane);而在一般情况下,就称为胚,即高维的“膜”。 人们常说,弦论是一门21世纪的数学,却不幸地早产于20世纪 。所以,虽然人们已经讨论了弦论的许多性质,更知道它是一个真正了不起的理论,但要把弦论讲清楚实在不容易。弦论的基本假设是:不存在粒子,而只有弦在空间中运动。一条弦就是一个画在空间中的圈。弦论假设只存在一种弦,而各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。当一条弦随时间运动时,它的轨迹不是一条线而是一根管子。两条弦还可以结合形成一条新弦,一条弦也可以分裂成两条。自然界中的一切相互作用,包括电子和光子的相互作用,都可以用弦的分裂和结合来解释。 在研究的过程中,存在着五个不同种类的自洽弦理论,新金沙网投官网这与弦论追求一种单一理论的初衷相左。经过数年努力,物理学家终于找到解决问题的钥匙。尽管目前这一理论还未得到一个大家一致赞同的形式,但至少已为它起了一个名字:M理论。在M理论中,空间和时间以普朗克尺度为基本单位。普朗克尺度可以根据已知的基本原理来建立,普朗克长度为10-33厘米,普朗克时间为10-43秒。 在M理论中,时空是10维或者是11维的,为什么日常生活中所见的时空是4维的呢?霍金认为,存在着两种可能的解释:一可能是所有额外维的尺度非常小,甚至如普朗克尺度那样小,实在难以观察到;二可能是额外维的尺度相当大,甚至可达无穷大,只是在目前的观察条件下尚未观测到。 霍金认为,“大的额外维是新理论探索中的激动人心的进展,它蕴涵着我们生活在一个胚世界中,一个在高维时空中的4维‘面’或‘膜’”中。强力、弱力和电磁力将被限制在这个胚中,所以任何与引力不相关的物理问题就会和在4维时空中的一样。比如,支配构成人体的物理定律是描写电磁力的量子电动力学,所以胚世界的存在,并不会影响到人体的构造。与此相反,引力则会弥散到整个高维空间中去。也就是说,引力随距离的减少可能比以往的估计更快。 如果引力的这种更快速减小可延伸至天文距离,就应该在行星轨道上觉察到这一效应。这样,行星轨道会是不稳定的:行星要么掉到太阳中去,要么逃逸到寒冷黑暗的星际空间中去。然而,新金沙网投官网若该额外维在离人类生活其上的胚不远的另一胚处终结的话,这种效应就不会发生。那么,对于超过两个胚相分离的距离,引力就会如上述像电磁力那样,不能自由地发散开去,而被有效地局限在胚上,新金沙网投官网并且减小的速率刚好适合于行星轨道。在实验室中精确地测量物体之间万有引力是一件十分艰难的工作,实验尚未探测出当胚的分离小于几毫米时它的效应。尽管理论家预言,在距离短于胚之间的分离距离时,引力会下降得更快速。但是实验研究者迄今缺少有效的手段进行测量,一旦在更短距离下的测量成功,就能鉴别人类所在的胚世界究竟是这样的,还是那样的。 为了解释恒星绕着银心转动的速度,就必须假设存在着暗物质。恒星绕银心作缓慢的转动,大约2亿多年转动一周。银河系的形状像一个盘子,银心附近聚集着大量的恒星,银盘里包含了更多的气体、尘埃以及一些恒星。如果套用开普勒定律,银盘外部的恒星的运动速度应当比靠近银心的转得慢,但是观测结果并非如此,整个银盘内恒星的运动速度大致相同。所以,天文学家认为银河系中存在大量暗物质,它们中的大部分分布在银盘的外围,从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。对星系团内全部星系运动状况的研究也得出相同结论。 对宇宙更大尺度结构的仔细研究也表明可能存在着暗物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。进一步考虑到宇宙年龄在1秒到3分钟之间的核反应及其宇宙轻元素的丰度,暗物质必须以不参与核反应的形式存在。这就意味着暗物质应以中微子或类似于中微子(轴子、有质量弱相互作用粒子等)的形式出现,它们不带电荷因而不受电磁力、强力的影响。 霍金认为,在4维“膜”世界中,人类生活在一个胚中,邻近还有另一个“影子”胚。因为光被限制在胚中,不能传播到另一个胚,所以人类不能看到影子世界。但是人类会感觉到影子胚中的物质的引力影响。这种引力在人类所在的胚世界中会显示成一种“暗”源。检测“影子”胚的仅有办法是通过引力的途径。 霍金说,弦、膜和胚“与宇宙中任何其他东西一样,都会有量子起伏。”这些量子起伏就使得胚这样一类客体会自发地创生和消失。这个过程很有一点像沸腾的水中蒸汽泡形成的过程。量子力学中的海森伯不确定性原理导致了胚从泡泡中创生。如果这个4维泡泡继续长大,那么生活在这个泡泡上的人就会感到宇宙正在膨胀。 按照霍金的无边界设想,胚世界的自发创生有一段虚时间的历史。在这段历史中,宇宙像一个果壳:一个4维球面(不妨想像成是一个多了两维的核桃壳 )。只是果壳是空的,在这胚世界图像中的4维果壳是满的:人类生活其中的胚在虚时间中的历史是一个4维球,它是一个5维泡泡的边界,而余下的5维或6维是卷曲的,并且卷得非常小。 依照霍金的理论,胚在虚时间的历史将决定它在实时间的发展。高维泡泡在虚时间中产生一个完全光滑的球形的4维“果壳”的概率是最高的;然而,这又对应于在实时间内以暴胀方式永远膨胀的胚。星系不能在这种胚世界中形成,从而智慧生命也不会出现。然而,高维泡泡在虚时间中产生一个有点不光滑和偏离球形的4维“果壳”的概率虽然稍低一些,但是却能与实时间中的减速暴胀过程(胚在开始时有一个加速膨胀——暴胀的相,随后膨胀又缓慢下来)相对应。在这个减速暴胀过程中,星系可能形成,智慧生命也会出现。有趣的是,这些智慧生命将会创造一种宇宙理论,认识到他们来自于不那么光滑,也不那么圆的4维“膜”。 随着霍金那根神奇的手指,游历了神奇的果壳中的宇宙之后,会有什么感想?果真每个人都是来自于神奇果壳中的生灵?

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