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宇宙学与超弦(宇宙本源之超弦理论)

1692年牛顿收到了一封来信,信是另外1名知名学者,曾经做过英国剑桥大学三一学院院长的理查本特利写的,本特利就在信里对牛顿提岀了一个很尖锐的问题,就是如果你说的万有引力是无所不在的,那么在一个静态稳定的字宙体系里,所有的星球是不是都会向自己的中心位置塌缩呢?


这是一个看起来很直白,但是非常令人困惑的问题,牛顿反复思考以后给本特利回信说,如果要避免星球的塌缩,那宇宙必须是无限的,而且星球的分布也必然是均匀的,这样各个方向的引力均衡抵消为零了,星球也就不会塌缩了。

然而牛顿的回答又带来了另外一个问题,在科学界就叫做奥尔伯斯悖论(O|bers'paradox)s,这个悖论认为如果宇宙真是无限的,星球是均匀分布的,那么夜空就应该明亮如昼,因为如果恒星分布均匀,无处不在,那当然也就没有照不到的死角,也就不会有黑夜了,但是最起码在地球上是有夜晚的,夜晚和星球没有塌缩这两件事情同时存在,那要不然就是万有引力错了,要不然就是宇宙不是静态均匀的。


于是牛顿就被难倒了!200多年过去都没有人能够解答这个奥尔伯斯悖论,牛顿心知肚明自己的理论是有漏洞的,所以他对宗教的宇宙神创论是保留了充分的敬意。

《圣经》和《创世纪》是这样讲创世的,在神创造天地之前,宇宙是一片混沌所在,神说要有光,就有了光,就这样神在6天之内陆续创造了大气、天空、陆地、日月星辰、万事万物以及人类。总之神是从无中生有开创出字宙。


2500年前古希腊有个奇人叫毕达哥拉斯,他既是数学家、又是音乐家,他发现琴弦按照一定频率振动,就能够发出标准的音符,当所有弦都和谐震动的时候,就会有音符的无数种组合,于是就创造出了丰富多端、变化多彩的音乐,于是他开了一个很天才的脑洞,创造宇宙的会不会就是像琴弦这样的力量呢?

这些弦按照数学规律震动,于是就谱写出了宇宙这么一个无限恢宏又无限复杂的乐章,现在流行的宇宙创生的超弦理论,在毕达哥拉斯那里可以说找得到最初的源头,插一句有意思的题外话,艺术是感性的领域,而数学是理性的地盘。可偏偏就在音乐这个事情上,它们两者可以完全合二为一,一点没有违和感,是不是很有意思呢?


因为声音节奏的长短、音调的高低都是可以用数字来度量、表达的,所以音乐它是完全可以被数学化的艺术,同时音乐不像画画、雕塑,大自然中有可以模仿的形象,音乐是无形的,它是没有模仿对象的,它是完全需要灵感驱动的艺术,所以大家看灵感和理性在音乐这里可以完全合一是没有分别的。

20世纪初另外一位牛人出生了,他叫爱因斯坦,提出了广义相对论方程,他从演算出的方程式中看宇宙,居然是动态的、变化的。后来天文学家哈勃观测到宇宙确实是动态、变化的,还有星体在远离银河而去,仙女座星云在靠近银河系,这些迹象都证明宇宙不是牛顿说的那种静止均匀的状态,宇宙是动态的。


奥尔伯斯悖论虽然解决了,可新麻烦也出现了,麻烦就在于和相对论同时时代出炉的量子理论让爱因斯坦大伤脑筋,量子理论是描述量子世界的,就是小于分子这个层面的世界,它和相对论是不同的,不同之处就在于如何解释万有引力?

相对论认为引力是一个在巨大时空范围内连续的场,而量子力学则认为引力是通过在微小的距离内量子交换完成的,是一个不连续的场,所以冲突就在这里。1960年代末一种叫「超弦」的理论诞生了,80年代开始蓬勃发展,它是目前统一场理论最有希望的备选之一,请注意是备选,因为它还没有得到验证,因为它能够把量子理论和爱因斯坦的相对论统一起来。


把已经知道的四种基本力统一起来,这四种力是引力、电磁力、强核力弱核力,前两种力作用于宏观宇宙,后两种力存在于微观量子世界,大家还记得前面提到的毕达哥拉斯的弦吧,毕达哥拉斯发现琴弦的不同振动可以奏出丰富多彩的音乐,他就想这个宇宙会不会也是某种弦振动的结果呢?超弦理论引入弦这个概念,正像是竖琴上的弦拨动琴弦能够奏出不同的音符(音符就是音乐的基本单位),而宇宙之弦拨动奏出的音符,那就是不同的基本粒子,像电子、夸克、黏子、希捷斯粒子、玻色子等等。

另外当弦在时空中运动的时候,连带的时空也发生弯曲,这和爱因斯坦相对论所认识的一模一样,所以这个弦就可以看作是星球大战中的宇宙原力了,或者是佛教中所说的佛的愿力,这种力从无到有创造了宇宙和宇宙中的一切,还是用音乐来打比方,粒子音符按照量子法则组合成不同的声部和旋律,那就是不同维度的平行宇宙。


而整个大宇宙就像一部超级宏大的交响乐,各个声部和各个声部里的旋律融合重叠在一起,你中有我、我中有你,这个从无到有创造宇宙的过程,也在数学上得到了论证,印度天才数学家拉玛努金发现了模函数,最终成就了超弦理论的数学论证,那么问题来了,它能完美地解释宇宙是怎么产生的吗?其实还差了一步,那就是:又是谁创造了弦呢?

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