科學現場調查：用弦實踐解釋宇宙降生之謎: 宇宙是平整的、毫無扭曲的跡象

　　現在，出現了兩種非常重要的理論，第一個名為環圈量子重力。這個理論完全地繼承了的相對論中的精華部分，但是改變了與量子理論之間的關係。在過去很長一段時間裏，環圈量子重力領域已經有了長足的發展，並且取得了一些重大成果。但是，想要解決重力的量子化，還需要繼續進行改革。1934年曾經出現過類似的問題，那個時候，費米提出了弱核力有效理論，使很多理論物理學家感到十分困擾。想要在費米的量子理論領域做出突破的努力都以失敗告終。後來科學家們發現，想要取得突破並非要使用新的技巧，而是要從根本上對這一理論進行改良。格拉肖、温伯格和薩萊姆在20世紀60年代晚期完成了這個任務。

　　第二個説法就是弦理論。這是真正對理論的革命性改良，因此我們將重點討論這一理論；環圈量子重力理論也有很多擁躉，在這一理論的指導下也得出了許多相同的結論。在所有試圖對宇宙大爆炸之初做出解釋的理論中，弦理論是最成功的。這個理論中所謂的弦，是和小提琴的琴絃類似的物體。當小提琴手演奏時，會用手指把琴絃按在琴把上，並來回移動，目的是讓琴絃的長度發生變化，改變琴絃的振動頻率，使它發出不同音調的聲音。如果將琴絃的尺度縮短到比原子還小，量子理論就會出面干涉，不讓這根弦變得更短。

　　1968年，科學家們提出了弦理論。這種理論真正對的相對論進行了改良，並且能夠更好地解釋宇宙的本源。如果我們的宇宙是一個具有多重維度的薄膜，在高維空間中運動，那麼宇宙大爆炸就可能是我們的宇宙與另一個平行宇宙發生碰撞的結果。這種碰撞可能會反覆發生，宇宙中的星系會沿着沙漏狀的路徑在平行時空中來回穿越。

　　弦理論的基本概念是，基本粒子不是以點狀存在的，而是一維空間的細長物體，就像琴絃一樣。在數量眾多的基本粒子中，每一種基本粒子的性質都十分獨特。對應的在琴絃上可能反映出不同的振動頻率。這樣簡單的理論是如何解釋粒子之間的複雜相互作用的呢？把量子力學應用在振動的弦上，就能夠表現出全新的性質。這套弦和小提琴的琴絃並無實質的區別，振動在弦上以光速向前傳播。不管是對量子物理理論還是對宇宙學來説，這些性質都能帶來重要的啓示。

　　首先，弦理論中的量子弦大小存在區別。如果不考慮量子效應，小提琴的琴絃可以無限地對切再對切，一直重複下去，最終變成質量為0的粒子。但是到最後階段，不確定性原理會發揮作用，防止弦最終小於10-34米這一尺度。這個無法繼續向下分割的長度可以記為ls。這個數值是弦理論中引進的最新的常數，可以和光速c和普朗克常數h並駕齊驅。在弦理論中的每個方向，這個常數都具有決定性的作用。把可能為無限大或者無限小的物理量的上下限進行了嚴格的規定。

　　第二，即使一個量子弦的質量為0，也可以具有角動量。在經典物理學理論中，角動量是物質在圍繞着一個軸旋轉時具有的性質。因為計算角動量的公式需要使用到物質的質量數值，所以一個質量為0的物體不具有角動量。但是在量子力學範疇，一個微小尺度下的弦能夠在質量為0的情況下，產生最多為兩個h單位的角動量。這種特點十分具有優勢，因為能夠符合目前所有已知的基本作用力載體的性質，其中包括傳播電磁力的光子和傳遞引力的引力子。在物理學的發展過程中，正是角動量使物理學家們注意到弦理論中包含量子重力。

　　第三，量子力學的弦理論，要求在日常存在的三維空間以外，存在其他的額外維度。在經典力學理論中，小提琴的琴絃無論在哪種時空的性質中都能夠產生振動，但是在量子力學中，弦理論具有更高的要求。只有在時空高度彎曲的時候，琴絃才能發生振動。另外一個條件是三維空間之外存在一個包含六個額外維度的空間。

　　第四，在這個理論方程中出現的物理常數不具有一個任意的固定值。物理常數通常能夠決定大自然的性質，包括常數和庫倫常數等。在弦理論中，這些常數以場的形式出現，比如電磁場，並能夠隨時對它們的數值進行調整。在宇宙發展的不同時期，或者在宇宙中的不同區域，這些常數都可能具有不同的值。直到今天，這些常數在微小尺度上還會發生變化。如果能夠觀察到這種變化，就能進一步發展弦理論。

　　弦理論中的縮放子就是一種這樣的場。在弦理論中，它是很關鍵的場，能夠決定所有作用力的總強度。弦理論研究專家對這種縮放子十分着迷，因為這種場的值能夠被重新定義為一個空間維度的大小，甚至給出一個具有11維空間的高維時空。

　　根據弦理論建立的宇宙模型，與我們通常所能見到的宇宙是有區別的。在此之前，科學家們通過對宇宙的微波背景輻射和超新星的距離進行測算，得出的結果證明宇宙是平坦的、毫無扭曲的跡象。那麼，為何我們通過計算得出的宇宙模型和實際的觀測結果不一致呢？

　　薛定諤在量子力學中提出的波函數，能夠對量子級的物體的所有可能狀態進行描述，而且可以將之轉化為概率論的問題。教授想要找到的就是這樣的一個函數，通過這個函數能夠發現宇宙的大爆炸帶來的產生各種宇宙形態的概率。從這個波函數的性質看來，宇宙發生一次大爆炸能夠產生很多宇宙的可能性。其中的一些宇宙能夠演化出生命，另一些則歸於沉寂。在這無數個宇宙中，一個宇宙出現了太陽系，這個星系誕生了一種智慧生物，這就是人類。在各個宇宙中，生命的演化進程和模式都可能是不同的。

　　教授及其團隊展開研究的弦理論目前並不是唯一的理論。還有一種説法認為宇宙常數是一個正值，而這種情況被看做是不穩定的。如果要建立這樣的宇宙，就好比在地面上樹立起一根木頭。在木頭達到最大穩態時，它能夠保持直立，但是這種情況不會維持多久，它最終會失去平衡而倒下。所以如此看來，弦理論創造的宇宙模型似乎更加正確一些，而宇宙常數為負數時，兩者能夠自洽。在教授的最新研究成果中，證明了的廣義相對論存在的缺陷與弦理論存在相關性。

　　另一位科學家埃爾託格認為，波函數推導出的其他各種各樣的宇宙也在進行加速膨脹，這和我們所處的宇宙空間是一樣的。因為按照波函數的性質，一個膨脹的宇宙是出現概率的結果。普林斯頓研究院的科學家胡安認為，要想理解這個問題，就要把教授提出的波函數當成是一種特殊的弦理論表達式。在埃爾託格看來，這不但是在數學意義上的關聯，而且把波函數與弦理論優雅地結合到了一起。