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第13章 膜的新奇世界(2)

对于膜世界的产生有几种理论。一种版本是称为Ekpyrotic宇宙的影子膜模型。Elrpyrotic这个名字有点绕嘴,即使它是从希腊文来的,意思是运动和变化。在Ekpyrotjc场景中,人们认为我们的膜以及影子膜存在了无限久。它们是在无限的过去在静态中启始的。膜之间一个非常小的力就使它们相互运动,膜就会碰撞,并且相互穿越,产生大量的热和辐射。这一碰撞被认为是大爆炸,也就是宇宙热膨胀相的启始。

关于膜是否能够碰撞以及如此这般行为,存在许多未解决的技术问题。但是,即使膜具有所需要的性质,以我的意见,Ekpyrotic场景也是不能令人满意的。它要求膜在无限的过去启始时,处于一种以不可思议的精度调准的位形之中。膜的初始条件的任何微小变化,都会使碰撞变得乱糟糟的,产生一个高度无规的膨胀宇宙,一点也不像我们现在观察到的这个几乎光滑的宇宙。如果膜从它们的基态或者最低能态启始,初始条件被精确指定便是很自然的了。但是如果存在最低能态,膜将会停留在那儿,而永不碰撞。但事实上,膜从一个非稳态启始,必须人为地让它处于这种态。这必须是一只相当稳定的手,才能使初始条件那么精确。但是如果一个人能够做到这一点,他就能够使膜从任何方式启始。

按照我的意见,膜世界启始的更为吸引人的解释是,它作为真空中的起伏而自发产生。膜的产生有点像沸腾水中蒸汽泡的形成。水液体中包含亿万个H20分子,它们在最靠近的邻居之间耦合,并且挤在一起。当水被加热上去,分子运动得更加快,并且相互弹开。这些碰撞偶然赋予分子如此高的速度,使得它们中的一群能摆脱它们的键,形成热水围绕着的蒸汽小泡泡。泡泡将以随机的方式长大或缩小,这时液体中来的更多的分子参与到蒸汽中去,或者相反的过程。大多数小蒸汽泡将会重新塌缩成液体,但是有一些会长大到一定的临界尺度,超过该临界尺度泡泡几乎肯定会继续成长。我们在水沸腾时观察到的正是这些巨大的膨胀的泡泡。

膜世界的行为很类似。真空中的起伏会使膜世界作为泡泡从无中出现。膜形成泡泡的表面,而内部是高维空间。非常小的泡泡将重新塌缩成无。但是一个由量子起伏成长的泡泡超出一定的临界尺度,很可能继续膨胀。在膜上,也就是在泡泡的表面上的人们(例如我们)会以为宇宙正在膨胀。这就像在气球的表面上画上星系,然而把它吹涨,星系就相互离开,但是没有任何星系被当作膨胀的中心。让我们希望,没有人持宇宙之针将泡泡放气。随着膜膨胀,内部高维空间的体积会增大。最终存在一个极其巨大的泡泡,它被我们生活其中的膜环绕着。膜也就是泡泡表面上的物质将确定泡泡内部的引力场。

平等地,在内部的引力场也将确定膜上的物质。它就像一张全息图。一张全息图是一个三维物体被编码在一个二维表面上的像。我对全息图的全部知识是,在一张图上是星际航行的一集中的场景,我本人与牛顿和爱因斯坦在一起。(之后是一段黑白短片,在一个飞船船舱内三位巨匠和一位类似于船长的人在打牌,讨论着些事情,由于是英文对白,本人水平有限,未能得其意思。)类似于,我们认为是四维时空的也许只是五维泡泡内部区域所发生的事件的一张全息图。

这样,什么是实在的呢?是泡泡还是膜?根据实证主义哲学,这是没有意义的问题。因为不存在独立于模型的实在性的检验,或者说什么是宇宙的真正维数是没有意义的,四维和五维的描述是等效的。我们生活在三维空间和一维时间的世界中,我们对这一些自以为一清二楚。但是我们也许只不过是闪烁的篝火在我们存在的洞穴的墙上的投影而已。但愿我们遭遇到的任何魔鬼都是影子。

膜世界模型是研究的热门课题,它们是高度猜测性的。但是它们提供了可供观测验证的新行为,它们可以解释为什么万有引力这么弱。在基本理论的基础中,引力也许相当的强大但是引力在额外维散开意味着,在我们生活其中的膜上的长距离引力变弱了。如果引力在额外维中更强,那么在高能粒子碰撞时形成小黑洞就容易得多。这也许在日内瓦建造中的LHC也就是大型强子碰撞机上可能实现。一个微小的黑洞不会吃掉地球,不像报纸中绘声绘色的恐怖故事那样。相反地,黑洞将会在“霍金辐射”的“扑”的一声中消失,而我将得到诺贝尔奖。IMC加油!我们可以发现一个膜的新奇世界。

附:霍金小传

母亲眼中的霍金

伊莎贝尔·霍金是史蒂芬·霍金的母亲。1930年,伊莎贝尔在牛津研究哲学、政治和经济学。1942年1月,纳粹空军正狂轰滥炸英格兰,伦敦遭受到几乎夜夜不停的空袭。这迫使霍金一家,搬离海格特的家园,而迁到牛津避难。他们在史蒂芬诞生后又回到了伦敦,一直在那里住到1950年。

他研究宇宙似是命中注定。我在产前一周到了牛津。我在医院时,做了一些工作,而且得到一张书券,所以就去布勒克威尔书店买了一本星象图。

我的小姑说:“你做这件事情真是未卜先知。”

史蒂芬在某些方面肯定是非常能干的,但不是所有方面。他相当晚才学会阅读,但他总是很多话;他也非常富有想像力,在这方面比数学方面发展得更快。

我们比较注意的是我丈夫的才干而不是史蒂芬的。尽管如此,史蒂芬一开始就是个自学者。如果他不想学什么东西则多半是他不需要。他大体上像是一张吸墨纸,把什么都吸收进去。我们经常把他和妹妹带到南肯辛顿的博物馆去。我把他留在科学博物馆,把玛丽留在自然历史博物馆。

史蒂芬·霍金:我爱逃学

我出生于1942年1月8日,刚好是伽利略逝世300周年的同一天。然而,我估计了一下,大约有20万个婴儿在同一天诞生,不知道其中有没有后来对天文学感兴趣的人。

尽管我的父母亲在伦敦生活,我却是在牛津诞生的。这是因为牛津在战时是个出生的好地方:德国人同意不轰炸牛津和剑桥,英国以不轰炸海德堡和哥廷根作为回报。可惜的是,这类文明的措施不能扩及更大的范围。

我上学时,牛津物理课程的安排,使得大学很容易逃避用功。我上大学前考了一次,然后在牛津过了3年,只在最后考一次毕业考。我有一次计算过,在牛津的3年中,我大约总共学习了1000小时,也就是平均每天一小时。我并不以那时的不用功为傲,我只不过是描述当时的想法而已,这就是我和大部分同学共同的态度:一种百般无聊的心态,而且觉得没有任何事情值得争取。

爱情让我重生

我过完2l岁生日之后不久就进医院检查。他们从我的手臂取出肌肉样品,把电极插到我的身上,把一些放射性不透明流体注入我的脊柱中,一面使床倾斜,一面用x光来观察这流体上上下下流动。我被诊断得了ALS病,肌肉萎缩性侧面硬化病,或者被英国人称作运动神经细胞病。

我意识到我得了一种可能在几年内死亡的不治之症,这确是一大打击。我怎么会那么倒霉呢?怎么这种病会发生在我身上呢?

肌肉萎缩性侧面硬化病在美国被叫做庐伽雷病,这是以患该病而死于1941年的纽约扬基队一垒手命名的。该病引起神经细胞逐渐瓦解,这些神经细胞位于脊柱和头脑内以控制随意肌肉的活动。头脑思维不受影响,通常呼吸肌肉失效,导致肺炎或窒息而死。

因为我估计自己活不到完成博士论文,所以看来做研究已没有什么意义。然而,疾病随着时间流逝似乎缓和了下来。我开始明白广义相对论,并在研究上获得进展。但是真正使我生活改观的是我和一位名叫简·瓦尔德的女士的订婚。这下我有了活下去的目标。也就是说,如果我要结婚就必须有一份工作。

1965年史蒂芬·霍金申请剑桥凯尔斯学院,他得到一份研究奖学金。同年7月他和简·瓦尔德结婚。他们的第一个儿子罗伯特出生于1967年,女儿露西出生于1970年,而第二个儿子提莫西出生于1979年。

年轻霍金爱跳舞

珍娜·韩福瑞(她受过一般医学和精神病学的训练,现为一位开业的弗洛伊德分析专家。她的父亲约翰和史蒂芬·霍金的父亲在同一研究所工作。1959年当霍金一家的其他人都到印度生活时,由于史蒂芬在上圣阿尔班斯学校,所以在韩福瑞家住了一年):史蒂芬的动作相当笨拙。我记得他在擦净桌子后,推着一整车的餐具进厨房,撞上了什么东西使得整车东西都掉了出来。大家全笑起来,但是在停顿了一下之后,史蒂芬笑得最大声。

但是他同时却是井井有条的:例如有一回他提议晚上跳苏格兰舞。我们有许多空间和一间大厅,我们买了一些唱片和一本书教我们怎么跳,史蒂芬负责此事。他坚持大家要穿西装和打领带,因为他是孩子中最大的。他是全过程的总管。我已记不得我们多久跳一次舞,但是大家的确非常快乐。史蒂芬对此非常认真,你知道那时他爱好跳舞。

诺曼·狄克斯(赛船俱乐部是大学学院的主要活动。当史蒂芬·霍金在那里念本科时,诺曼·狄克斯是学院船长。他在牛津工作了四十多年):他有一副相当嘹亮的好嗓门,虽然不是军官的嗓门,但也够威风凛凛的。

我们可以相信当他所热爱的东西都失去时,他不仅坚强地活着,而且伟大地活着,那么他所带给我们不仅仅是科学的智慧,还有人类最可贵的精神。

同学眼中的霍金:他来自另一星球

德瑞克·鲍尼(他是史蒂芬·霍金在大学学院时的同学,他离开牛津之后在伯里斯特尔大学作研究,埃萨克斯的圣十字学校校长):

我在大学学院的那一年共有4名学物理的:史蒂芬、高登·贝瑞、里查德·布雷安和我自己。

我认为那时我们没有人知道史蒂芬到底多聪明。直到第二年我们才发觉到这一点。我们在个人指导时被分成两对,这两对的进度完全相同。有一次4个人做同样的作业。我们被指定读《电磁学》第十章。这是由很特别的作者组合布里尼夫妇合写的。该章结尾附有13个问题。我们的导师玻比·伯曼说:“尽可能完成。”

我们尝试一下以后,我很快就发现一道题也做不出来。里查德是我的工作伙伴,那个星期我们一起设法解出了其中的一题半,为此我们感到很得意。高登拒绝任何协助,自己设法解出一题。史蒂芬和往常一样还没有开始。他上学时不甚用功。

他从来不吃早饭,这对他来说似乎是件大事。我们对他说:“这习惯不好,史蒂芬,你早晨应该起床吃早饭。”他盯着我们沉思,第二天早晨他真的起床吃早饭。那天上午我们这些乖小孩跑去上9点到12点的三堂课,史蒂芬没去。我们走时大概9点或者差5分9点,因为从大学学院到实验室去上课只要五分钟的路,史蒂芬也在那时回到自己的房间去。

我们12点左右回来时,史蒂芬刚好下来。我们在学院的门房相遇。

“啊,霍金!”我问道:“你做了几题?”

“哦,”他说:“我只来得及做这前面的10题。”

我们所有人都大笑起来,而他却满脸狐疑地对我们凝视,这使我们全都呆住了。我们立刻意识到,他的的确确做了这前面的10题。我想,这时大家才意识到,我们和他是不可能同行并进的,我们就像来自于不同的星球。

罗伯·白曼(他在牛津时为史蒂芬·霍金所在大学学院的学监和物理学导师):

他显然是我所教过的学生中最聪明的。我从那时开始教过大约30名学生,他的最后考试并不比其他学生好,当然考得好的学生不仅是聪明而且非常用功。史蒂芬不仅仅是聪明,他甚至不能用聪明来衡量。按照正常标准不能说他非常用功,因为这实在没有必要。他每一周都完成辅导的作业。我想我真正的作用只是监督他学习物理的进度。我不能自夸曾经教过他任何东西。

霍金永远不能成材?

霍金:我是相当正常的小男孩,很慢才学会阅读,但对事物的来龙去脉却非常有兴趣。在校的成绩从未在中等以上(这是一所精英学校)。我12岁时,一位朋友跟另一位朋友用一袋糖果打赌,说我永远不可能成材。我不知道这个赌的输赢是否已被敲定。如果是,究竟是哪一方赢了?

贝西尔·金(史蒂芬·霍金在圣阿尔班斯的同学和好朋友):我们讨论生命自发产生的可能性。我想史蒂芬提出了一种看法不仅表明他思考过这问题,而且甚至计算出它的过程要多久。那时候我曾对我的朋友约翰·马克连纳汉说:“我认为史蒂芬会成为非同寻常的能人。”约翰不同意。所以我们孩子气地用一包糖来打赌。而且,顺便提及,我断定我赌的已被证明是正确的,我应该得到报偿,但至今尚未得到。

约翰·马克连纳汉(10岁时他和霍金是同班同学,后在剑桥又成为朋友):我们3个人打了一个赌,其内容是我们之中没人会成大器,或者是其中有人会成材。我已记不清这赌的细节了。但是史蒂芬仍然坚持说,因为他出名了,而我还未送给他一包糖,所以我还欠他的。

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