霍金：膜的新世界

　　我想在這次演講中描述一個激動人心的新進展它可能改變我們關(guān)于宇宙和實在本身的觀點。這個觀念是說，我們可能生活在一個更大空間的膜或者面上。

　　膜這個字拼寫為BRANE，是由我的同事保羅湯森為了表達薄膜在高維的推廣而提出的。它和頭腦是同一雙關(guān)語，我懷疑他是故意這么做的。我們自以為生活在三維的空間中，也就是說我們可以用三個數(shù)來標明物體在屋子里的位置，它們可以是離開北墻五英尺離開東墻三英尺還比地板高兩英尺，或者在大尺度下，它們可以是緯度、經(jīng)度和海拔。在更大的尺度下，我們可以用三個數(shù)來指明星系中恒星的位置，那就是星系維度、星系經(jīng)度以及和星系中心的距離。和原來標明位置的三個數(shù)一到，我們可以用第四個數(shù)來標明時間。這樣，我們就可以這樣把自己描述成生活在四維時空中，在四維時空中可以用四個數(shù)來標明一個事件，其中三個是標明事件的位置，第四個是標明時間。愛因斯坦意識到時空不是平坦的，時空中的物質(zhì)和能量把它彎曲甚至翹曲，這真是他的天才之舉。根據(jù)廣義相對論，物體例如行星企圖沿著直線穿越時空運動，但是因為時空是彎曲的，所以它們的路徑似乎被一個引力場彎折了。

　　Curved and Warped Space time.

　　這就像你把重物代表一個恒星放在一個橡皮膜上，重物會把橡皮膜壓凹下去，而且會在恒星處彎曲�，F(xiàn)在如果你在橡皮膜上滾動小滾珠，小滾珠代表行星，它們就圍繞著恒星公轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)從GPS系統(tǒng)證實了時空是彎曲的，這種導航系統(tǒng)裝備在船只、飛機和一些轎車上。它依靠比較從幾個衛(wèi)星來的信號而運行的。如果人們認為時空是平坦的，我們將不能正確地計算位置，三維空間和一維時間是我們看到的一切。那么我們?yōu)槭裁匆�相信我們不能想起不能觀察到的它的額外維呢？它們僅僅是科學幻想呢，還是能夠被看的到的科學后果呢？我們認真地接受額外維的原因是，雖然愛因斯坦廣義相對論和我們所作的一切觀測相一致，該理論預言了自身的實效（還是失效？我覺得該是失效）。羅杰·彭羅斯和我在討論廣義相對論時預言時空在大爆炸處具有開端，在黑洞處有終結(jié)。在這些地方廣義相對論失效了。這樣人們就不能夠預言宇宙如何開端，或者對落進黑洞的某人將會發(fā)生什么。

　　廣義相對論在大爆炸或黑洞處失效的原因是沒有考慮到物質(zhì)的小尺度行為。在正常情況下，時空的彎曲是非常微小的，并也是在相對場的尺度上，所以它沒有受到短距離起伏的影響。但是在時間的開端和總結(jié)，時空就被壓縮成單獨的一點。為了處理這個，我們學要把非常大尺度的理論即廣義相對論和小尺度的理論即量子力學相結(jié)合。這就創(chuàng)生了一種TOE，也就是萬物的理論，它可用來描述從開端直到總結(jié)的整個宇宙。

　　我們迄今已經(jīng)花費了三十年的心血來尋找這個理論，目前為止我們認為已經(jīng)有了個候選者，稱為M理論。事實上，M理論不是一個單獨的理論，而是理論的一個網(wǎng)絡(luò)，所有的理論事物都在物理上等效。這和科學的實證主義哲學相符合。

　　在這哲學中，理論只不過是一個數(shù)學模型，它描述并且整理觀測。（Positivist Philosophy -- A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations）人們不能詢問一個理論是否反映現(xiàn)實，因為我們沒有獨立于理論的方法來確定什么是實在的。甚至在我們四周，被認為顯然是實在的物體，從實證主義的觀點看，也不過是在我們頭腦中建立的一個模型，用來解釋我們視覺和感覺神經(jīng)的信息。當人們把貝克萊主教的沒有任何東西是實在的見解告訴約翰遜博士時，既然他用腳尖踢到一個石頭并大聲吼叫，那么我也就駁斥這種見解。但是我們也許都和一臺巨大的電腦模擬連在一起，當我們發(fā)出一個馬達信號去把虛擬的腳擺動到一塊虛擬的石頭上去，它發(fā)出一個疼痛的信號。也許我們也就是外星人玩弄的電腦游戲中的一個角色。

　　Are we all a simulation?

　　Hawing-Penrose Theorem

　　There must be sigularites,places where time has a beginning or end, if general relativity is correct. and the universe contain as mush mater as we observe. General Relativity will brake down at a singularity.

　　不再開玩笑了，關(guān)鍵在于我們能有幾種不同的對于宇宙的描述，所有的這些理論都預言同樣的觀察。我們不能講一種描述比另外一種描述更實在，只不過是對一種特定情形更方便而已。所以M理論網(wǎng)絡(luò)中的所有理論都處于類似地位。沒有一種理論可以聲稱比其余的更實在。

　　令人印象深刻的是，M理論網(wǎng)絡(luò)中的許多理論的時空維數(shù)具有比我們經(jīng)驗到的四維更高。這些額外維數(shù)是實在的嗎？我必須承認我曾經(jīng)對額外維持遲疑的態(tài)度。但是，M理論網(wǎng)絡(luò)配合得天衣無縫，并且具有這么多意想不到的對應(yīng)關(guān)系，使我認為如果不去相信它，就如同上帝把化石放進巖石去誤導達爾文去發(fā)現(xiàn)進化論一樣。

　　在這些網(wǎng)絡(luò)的某些理論中，時空具有十維，而在另一些中，具有十一維。這是如下事實的有一個跡象，即時空以及它的維不是絕對的獨立于理論的量，而只不過是一個導出概念，它依賴于特殊的數(shù)學模型而定。那么對我們而言，時空是顯得四維的，而在M理論是十維或者十一維的，這是怎么回事呢？為什么我們不能觀察到另外的六或七維呢？這個問題的傳統(tǒng)的，也是迄今仍被普遍接受的答案是，額外維全部被卷曲到一個小尺度的空間中，余下四維幾乎是平坦的。它就像人的一根頭發(fā)，如果你從遠處看它，它就顯得像是一維的線。但是如果你在放大鏡下看它，你就看到了它的粗細，頭發(fā)的的確確使三維的。在時空的情形下，足夠高倍數(shù)的放大鏡應(yīng)能揭示出彎卷的額外維數(shù)，如果它存在的話。事實上，我們可以利用大型粒子加速器產(chǎn)生的粒子把空間探測到非常短的距離，比如在日內(nèi)瓦建造的大型強子碰撞機。至少，迄今我們還沒有探測到超出四維的額外維的證據(jù)。如果這個圖象是正確的，那么額外維就會被卷曲到比1厘米的一百億億分之一還小。

　　How small?

　　Extra dimensions world have to be curled up smaller than

　　0.0000000000000000001centimetes

　　我剛才描述的是處理額外維的傳統(tǒng)方法，它意味著我們有較大機會探測到額外維的僅有之處是宇宙的極早期，然而最近有人提出更激進的思想，額外維的一維或二維可以大的很多，甚至是無限的，因為在粒子加速器中沒有看到這些額外維，所以必須假定所有的物質(zhì)粒子被局限在時空的一個膜或面上，而不能自由地通過大的額外維傳播，光也必須被限制在膜上，否則的話，我們就已經(jīng)探測到大的額外維了，粒子之間的核力也是如此，另一方面，引力是所有質(zhì)量或能量之間普適的力，它不能被限制在膜上，相反，它要滲透到整個空間，因為引力可以散發(fā)到額外維中，所以它隨距離的增大衰減比電力更歷害，電力是被限制在膜上的，然而我們從行星軌道的觀測得知，太陽的萬有引力隨離距離越遠則越下降，和電力隨距離的減小方式相同，這樣，我們的確是生活在一張膜上，就必須有某種原因說明為何引力不從膜往很遠處散開，而是被限制在它的鄰近，一種可能性是額外維在第二張影子膜上終結(jié)，第二張膜距離我們生活的膜不遠。我們看不到這張影子膜，因為光只能沿著膜運行，而不能穿過兩個膜之間的空間，然而我們可以感覺到影子膜上的物體的引力，可能存在影子星系、影子恒星甚至影子人，他們也許正為感受到從我們膜上的物質(zhì)來的引力而大大驚訝。

　　對于我們而言，這些影子物質(zhì)呈現(xiàn)成暗物質(zhì)，那是看不見的物質(zhì)，但是其引力可以被感覺到，事實上我們在自身的星系中，具有暗物質(zhì)的證據(jù)，我們能看到的物質(zhì)總量不足以讓引力把正在旋轉(zhuǎn)的星系抓在一起，除非存在某種暗物質(zhì)，要么該星系將會飛散開來，類似地，我們在星系團中觀測到的物質(zhì)總量也不足以防止它們的散開，這樣又必須存在暗物質(zhì)，當然影子膜并不是暗物質(zhì)的必要條件，暗物質(zhì)也許不過是某種很難觀察到的物質(zhì)形態(tài)，例如wimp（弱相互作用重粒子）或者褐矮星以及低質(zhì)量恒星，后者從未熱到使氫燃燒，因為引力散發(fā)到我們的膜和影子膜之間的區(qū)域，在我們膜上兩個鄰近物體間的萬有引力隨距離的下降會比電力更加歷害，因為后者被局限于膜上，我們可能在實驗室中利作劍橋的卡文迪許爵士發(fā)明的儀器測量短距離行為，迄今我們沒有看到和電力的任何差異，這意味著膜之間距離不能超過一厘米，按天文學的標準，這是微小的，但是和其它額外維的上限相比是巨大的，正在進行短距離下引力的新的測量，用以檢測膜世界的觀念。另一種可能性是額外維不在第二張膜上終結(jié)，額外維是無限的，但是正像馬鞍面一樣被高度彎曲，麗沙·朗達爾和拉曼·桑德魯姆指出，這種曲率的作用和第二張膜相當類似，一張膜上的一個物體的引力，將不會在額外維中發(fā)散到無限去，正如在影子模型中引力場長距離的衰減正好用以解釋行星軌道和引力的實驗室測量，但是在短距離下引力變化的更快速。然而在朗達爾——桑德魯姆模型和影子膜模型中存在著一個重大的差別，物體受引力影響而運動，會產(chǎn)生引力波，引力波是以光速通過時空傳播的曲率的漣漪，正如光的電磁波，引力波必須攜帶能量，這是一個在對雙脈沖星觀測中被證實的預言。

　　如果我們的確生活在具有額外維的時空中的一張膜上，膜上的物體運動產(chǎn)生的引力波會向其它維傳播，如果還有第二張影子膜，它們就會被反射回來，并且被束縛在兩張膜之間，另一方面，如果只有單獨的一張膜，而額外維無限的延伸，就像在朗達爾——桑德魯姆模型中那樣，引力波會全部逃走，從我們的膜世界把能量攜帶走，這是乎違背了一個基本物理原則，即能量守恒定律，它是講總能量維持不變，Law of conservation energy The total amount of energy in the universe remain the same 然而，只是因為我們對所發(fā)生事件的觀點被限制在膜上，所以就顯得定律被違反了，一個能看到額外維的天使就知道能量是常數(shù)，只不過更多的能量被發(fā)散出去，只有短的引力波才從膜逃逸，而僅有的大量的短期引力波的源似乎來自于黑洞，膜上的黑洞會伸縮成在額外維中的黑洞，如果黑洞很小，它就幾乎是圓的，也就是說它向額外維延伸的長度和在膜上的尺度一樣，膜上的巨大黑洞察將會延伸成黑餅，它被限制在膜的鄰近，它在額外維上的厚度比在膜上的寬度小的多。

　　若干年以前我發(fā)現(xiàn)黑洞不是完全黑的：它們會發(fā)射出所有種類的粒子和輻射，它們就如熱體一樣，粒子和像光這樣的輻射會沿著膜發(fā)射，因為物質(zhì)和電力被限制在膜上，然而，黑洞也輻射引力波，這些引力波不被限制在膜上，也向額外維中傳播，如果黑洞很大并且是餅狀的，引力波就會留在膜的附近，這意味著黑洞以在四維時空中預想的速度損失能量和質(zhì)量，因此黑洞會緩慢地蒸發(fā)，尺度縮小，直至它變得足夠小，使它輻射的引力波開始自由地逃到額外維中去，對于在膜上的人，黑洞就顯得在發(fā)射暗輻射，也就是在膜上不能直接觀察到的輻射，但是其存在可以從黑洞正在損失質(zhì)量這一事實推出，這意味著從正在蒸發(fā)著的黑洞來的最后輻射比它實際更緩和些，這也許是為什么我們還未觀測到伽碼射線暴，后者由正在死亡的黑洞產(chǎn)生的，雖然還存在另一種乏味的解釋，就是說不存在許多這樣的黑洞，其質(zhì)量小到不遲于宇宙的現(xiàn)階段蒸發(fā)，這真是遺憾，因為如果發(fā)現(xiàn)了一個低質(zhì)量的黑洞，我就會獲得諾貝爾獎，膜世界的產(chǎn)生有幾種不同的理論：

　　膜世界是如何產(chǎn)生的呢？一種版本是稱為Ekpyrotic宇宙的影子模型，Ekpyrotic這個名字有點饒嘴，但是它是希臘文來的，意思是運動和變化，在Ekpyrotic場景當中，人們認為我們的膜以及影子膜存在了無限的時間，他們是在無限的過去在靜態(tài)中起始的，膜之間一個非常小的力就使它們相向運動，膜會碰撞，并且相互穿越，產(chǎn)生大量的熱和輻射，這一碰撞被認為是大爆炸，也就是宇宙熱膨脹相的開始，關(guān)于膜是否會碰撞以及如此般行為。存在許多未解決的技術(shù)問題，(點擊此處閱讀下一頁)

　　但是即時膜具有所需要的性質(zhì)，以我的意見，Ekpyrotic場景也是不能令人滿意的，它要求膜在無限的過去啟始時，處于一種不可思議的精度調(diào)準的位形之中，膜的初始條件的任何微小變化，都會使碰撞變得很亂，產(chǎn)生一個高度無規(guī)律的膨脹宇宙，一點也不像我們妯察到的這個幾乎光滑的宇宙，如果膜從它們的基態(tài)或者低能態(tài)起始，初始條件被精確指定，便是很自然的了，但是如果存在最低能態(tài)，膜將會停留在那兒而永不碰撞，但事實上，膜從一個非穩(wěn)態(tài)啟始，必須人為地讓它處于這種態(tài)，這必須是一只相當穩(wěn)定的手，才能使初始條件那么精確，但是，如果一個人能作到這一步，他也能使膜從其它任何方式啟始，按照我的解釋，膜世界啟始，更為吸引人的解釋是，它作為真空中的起伏而自發(fā)創(chuàng)生，膜的創(chuàng)生，有點像沸水中蒸氣泡的形成，水液體中包含億萬個H2O分子，它們在最靠近的鄰居之間耦合，并且擠在一起，fluctuation of vacuum is just like boing water…… 當水被加熱上去，分子運動得更快，并且相互彈開，這些碰撞偶然賦予分子一定高的速度，使得它中的一群能擺脫它們的吸引，形成熱水圍繞的蒸汽小泡，泡將以隨機的方式脹大或縮小，這時液體中來的更多的分子加入到蒸氣中去，或者相反的過程，大多數(shù)泡會塌縮成水，而另一些會長大到臨界尺度，超過該臨界尺度泡泡幾乎肯定會繼續(xù)成長，我們在沸水中看到的正是這巨大的膨脹的泡泡，膜世界的行為很類似，真空中的起伏會使膜世界作為泡泡從無中產(chǎn)生，膜形成泡泡的表面，而內(nèi)部是高維空間，非常小的泡泡將會重新塌縮為無，但是一個由量子起伏成長的泡泡超出一定的臨界尺度，很可能繼續(xù)膨脹，在膜上，也就是泡泡表面的人們，會以為宇宙正在膨脹，這就像在氣球表面上畫上星系，然而把它吹脹，星系說相互離開，但是沒有任何星系被當作膨脹的中心，讓我們希望沒有任何人持宇宙之針將泡泡放氣，Galaxies on balloon 隨著膜膨脹，內(nèi)部高維空間體積會增大，最終存在一個極其巨大的泡泡，它被我們生活其中的膜環(huán)繞著，膜也就是泡泡表面上的物質(zhì)將確定泡泡內(nèi)部的引力場，同樣，內(nèi)部的引力場將決定膜上的物質(zhì)，它就像一張全息圖，Hologram Creation 一張全息圖是三維物體被編碼到二維物休上的像，我對全息圖的全部知是，在一張圖上是在星際航行的一集中的場景。我本人和牛頓、愛因期坦在一起。（之后是一段黑白短片，在一個飛船船艙內(nèi)三位巨匠和一位類似于船長的人在打牌，討論著些事情。）類似地，我們認為是四維的時空的，也許只不過是五維泡泡內(nèi)部區(qū)域所發(fā)生事情的一張全息圖，這樣，什么是實在的呢，是泡泡還是膜？根據(jù)實證主義哲學，這是沒有意義的問題，因為不存在獨立于模型的實在性的檢驗，或者說什么是宇宙真正的維數(shù)是沒有意義的，四維和五維的描述是等效的，我們生活在三維空間和一維時間的空間中，我們自以為對這一清二楚，但是也許我們只不過是閃爍的篝火在我們存在的洞穴的墻上的投影而已，但原我們遇到的任何魔鬼也都是影子。

　　膜世界模型正是研究的熱門課題，它們是高度猜測性的，但是它們提供了可以用觀測驗證的新行為，它們可以解釋萬有引力為什么這么弱。在基本理論中，引力也許相當大，但是引力在額外維中散開意味著在我們生活的膜上的長距離引力變?nèi)趿�，如果引力在額外維中更強，那么在高能粒子碰撞時形成小黑洞就容易的多，這也許在日內(nèi)瓦建造中的LHC也就是大型強子對撞機可能實現(xiàn)， Large Hadron Collider 一個微小的地球不會吃掉整個地球，不像報紙中繪聲繪色的恐怖故事那樣，相反，黑洞會在“霍金輻射”的“撲”的一聲中消失，而我將得到諾貝爾獎，LHC加油！我們可以發(fā)現(xiàn)一個膜的新世界。

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