《果殼中的宇宙》讀書筆記
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《果殼中的宇宙》是史蒂芬·霍金為其成名著作《時(shí)間簡史》在2019年寫的續(xù)篇。
你或許很難理解愛因斯坦的《相對(duì)論》，但讀過《果殼中的宇宙》的前兩章后，你便可了解它所基于的哲學(xué)原理。讀完這本書之后，你就了解了建立一個(gè)統(tǒng)一“量子理論”和“相對(duì)論”的理論的重要性，以及物理學(xué)家為之所進(jìn)行的探索。
在眾多的理論中，弦理論被認(rèn)為是最有希望的理論，因而霍金的這本書中投入了大量的篇幅來解釋什么是弦理論。弦論假設(shè)不存在粒子，而只有弦在空間中運(yùn)動(dòng)，一條弦就是一個(gè)畫在空間中的圈，各種不同的粒子只不過是弦的不同振動(dòng)模式而已。當(dāng)一條弦隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的軌跡不是一條線而是一根管子。兩條弦還可以結(jié)合形成一條新弦，一條弦也可以分裂成兩條。自然界中的一切相互作用，包括電子和光子的相互作用，都可以用弦的分裂和結(jié)合來解釋。從某種程度來說，弦論已經(jīng)統(tǒng)一了強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力，因而弦論也被稱為大一統(tǒng)理論(Theory ofEverything)。
在研究的過程中，存在著五個(gè)不同種類的自洽弦理論，這與弦論追求一種單一理論的初衷相左。經(jīng)過數(shù)年努力，物理學(xué)家終于找到解決問題的鑰匙。盡管目前這一理論還未得到一個(gè)大家一致贊同的形式，但至少已為它起了一個(gè)名字：M理論。
在M理論中，時(shí)空是10維或者是11維的，為什么日常生活中所見的時(shí)空是4維的呢?霍金認(rèn)為，存在著兩種可能的解釋：一可能是所有額外維的尺度非常小，甚至如普朗克尺度那樣小，實(shí)在難以觀察到;二可能是額外維的尺度相當(dāng)大，甚至可達(dá)無窮大，只是在目前的觀察條件下尚未觀測(cè)到�；艚鹫J(rèn)為，大的額外維是新理論探索中的激動(dòng)人心的進(jìn)展，它蘊(yùn)涵著我們生活在一個(gè)胚世界中。強(qiáng)力、弱力和電磁力將被限制在這個(gè)胚中，所以任何與引力不相關(guān)的物理問題就會(huì)和在4維時(shí)空中的一樣。與此相反，引力則會(huì)彌散到整個(gè)高維空間中去。
考慮到大的額外維度，起初的弦理論(認(rèn)為時(shí)空包含4個(gè)展開的時(shí)空維度和6到10個(gè)卷曲維度)中弦的概念可以被可以進(jìn)一步推廣到p胚，即高維空間的p維客體�；艚鹫J(rèn)為，時(shí)空就是一張推廣了的“膜”，不過這張膜不是2維的，而是4維的(不同于起初一維的弦)。
霍金認(rèn)為，在4維“膜”世界中，人類生活在一個(gè)胚中，鄰近還有另一個(gè)“影子”胚。因?yàn)楣獗幌拗圃谂咧校荒軅鞑サ搅硪粋�(gè)胚，所以人類不能看到影子世界。但是人類會(huì)感覺到影子胚中的物質(zhì)的引力影響。這種引力在人類所在的胚世界中會(huì)顯示成一種“暗”源(暗物質(zhì))。檢測(cè)“影子”胚的僅有辦法是通過引力的途徑。
按照霍金的無邊界設(shè)想，胚世界的自發(fā)創(chuàng)生有一段“虛時(shí)間”的歷史。在這段歷史中，宇宙像一個(gè)果殼：一個(gè)4維球面(不妨想像成是一個(gè)多了兩維的核桃殼)。只是果殼是空的，在這胚世界圖像中的4維果殼是滿的：人類生活其中的胚在虛時(shí)間中的歷史是一個(gè)4維球，它是一個(gè)5維泡泡的邊界，而余下的5維或6維是卷曲的，并且卷得非常小。
以上是對(duì)霍金的最新科普書籍《果殼里的宇宙》的簡述，其中每一段的內(nèi)容都是很多科學(xué)家多年研究的結(jié)果，因而在短時(shí)間內(nèi)理解這些內(nèi)容是不可能的。老實(shí)地說，到目前為止我也只能理解這本書的前兩章。雖然我也讀過有關(guān)弦理論的其它科普讀物(如《宇宙的琴弦》)，我仍不能理解弦理論當(dāng)前發(fā)展的狀況。據(jù)我所知，弦理論發(fā)展的初衷是解決量子理論和相對(duì)論之間的矛盾，之后由于標(biāo)準(zhǔn)模型的成功(統(tǒng)一了強(qiáng)力、弱力、電磁力并與狹義相對(duì)相容，但不能包括引力，即與廣義相對(duì)論不相容)以及其弦理論給出的預(yù)言在實(shí)驗(yàn)中不能被驗(yàn)證，弦理論受到冷落。之后弦理論的發(fā)展是基于小的卷曲維度(小于普朗克長度，對(duì)其探測(cè)超出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件，或許永遠(yuǎn)不能被探測(cè))來彌補(bǔ)之前理論的缺陷以及預(yù)言，后來為囊括多種版本的弦理論，M理論被提出�？紤]弦理論的這個(gè)發(fā)展歷程，我有中云里霧里的感覺，并對(duì)這個(gè)研究方向感到極大地?fù)?dān)憂。由于它的發(fā)展脫離了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因而我很懷疑發(fā)展這種理論的意義所在。
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