宇宙學的沉思

人類自古以來就渴望認識宇宙的起源。也許沒有哪個問題像這樣超越文化和時代分隔，它喚起祖先的想象，也引發今天宇宙學家的沉思。

人口渴望解釋為什么會有一個宇宙，它是如何成為我們今天看到的樣子，它是怎么演化的？今天人們接受的宇宙學理論，認為宇宙在最初的瞬間經歷過最極端的條件：巨大的能量、極高的溫度和極大的密度。我們的宇宙源于138億年前的一次大爆炸。真的是這樣嗎？

宇宙大爆炸的理論起源于愛因斯坦完成廣義相對論的15年后。弗里德曼發現了宇宙從一個無限壓縮的狀態爆炸出來的，而且現在仍然處于爆炸引起的膨脹中。5年以后，哈勃望遠鏡通過觀察了幾十個星系，證實了宇宙仍然處于膨脹之中。

讓我們來簡單回顧一下宇宙大爆炸的過程

宇宙大爆炸后的10的負43次方秒，普朗克時間形成，宇宙的三維空間形成，其余的維度還保持在原來的普朗克尺度里。

隨后時間膨脹、冷卻、溫度下降，大約十萬分之一秒后，夸克可以三個成團聚集在一起，形成了質子和中子。

百分子一秒后，周期表里最輕的一些元素的核也夠條件從冷卻的粒子等粒子體重凝結出來。

接下來3分鐘里，宇宙逐漸冷卻到10億開，出現最多的核是氫和氦，還有一些鋰。這就是所謂的原始核合成時期。

接下來幾十萬年，也沒發生什么特別的事情。宇宙繼續膨脹、溫度繼續冷卻。當溫度降低到幾千開時，電子流慢慢流向原子核，原子核捕捉了它們，第一次形成了電中性的原子。這是一個重要的時刻，大體上說，這一刻開始，宇宙變得透明了。宇宙充滿了帶點的等離子體，有的帶正電，如原子核，有的帶負電，如電子。只與帶電體發生相互作用的光子，落在深深的帶電粒子的汪洋里，不停歇地碰撞擠壓，要么被偏轉，要么被吸收，慢慢地宇宙開始從混濁變得清晰。

約10億年以后，宇宙的基本從沸騰的爆炸狀態安靜下來，星系、恒星和行星終于開始一個個從原初元素的引力束縛堆里產生出來。

在大爆炸138億年后的今天，我們也來了，在驚嘆宇宙壯麗的同時，也驚訝我們自己能一點點從樹立起一個合理的而且經得起實驗檢驗的宇宙起源理論。

大爆炸理論看似精確和嚴密，但是還是有些問題有待解決，比如為什么宇宙的空間溫度都是相同的，相隔如此遙遠的空間區域中沒有辦法實現能量傳遞和交換，解釋不了為什么它們具有完全相同的溫度。物理學家把這個解釋不了宇宙大范圍的溫度均勻性的問題稱之為：視界問題。視界問題的本質是，為了讓宇宙中任意兩個遙遠距離的區域靠近，我們必須回到時間的開始。而且物理學家們發現，現在宇宙正處于暴脹之中，形成了暴脹的宇宙學模型。

暴脹宇宙一種更新版的大爆炸理論，認為宇宙非常年幼時，曾經過一個暴脹階段。地點不同，溫度會有所不同。但是如果只考慮初期宇宙中極小的一塊區域，則可以認為這個小區域具有均勻的溫度。如此小的一塊區域，在它還來不及非均勻化的一瞬間如果就急劇膨脹為很大的宇宙的話，那么在這個宇宙中的溫度自然也就是基本均勻的。按照這種思路，那么，在現在的宇宙中觀測到來自宇宙一切方向的背景輻射所對應的溫度基本一致，也就不足為怪。

不管是標準的大爆炸理論還是暴脹的宇宙理論，我們都沒辦法解釋事物到底是怎么開始的，我們也不知道我們的宇宙學理論是否合理。關于弦理論和M理論，我們今天的認識還非常膚淺，不能決定一個“包羅萬象”的理論，也不能決定它自己的宇宙學初始條件。當然也就不能把它提到物理學定律的高度。我們還將繼續探尋宇宙的終極理論到底是什么。我們的宇宙有可能是一個巨大天空的一個小部分，汪洋大海宇宙島中的一個，因此也有科學家提出多重宇宙的概念，但是多重宇宙的假設至少可以讓我們更加寧靜，別總想著去解釋我們的宇宙為什么會是這個樣子。更激進的思想來自于賓夕法尼亞州立大學的斯莫林，他提出每一個黑洞都是一粒新宇宙的種子，新宇宙從種子爆發出來，但永遠藏在黑洞視界的背后。

但是不管怎樣，引力的量子理論經過超弦理論的發展，為我們帶來了信心和希望，我們相信，經歷千辛萬苦之后，我們一定能帶著某些最深沉的問題的答案，重新走出來。

宇宙的統一理論存在嗎？

百年之后，超弦理論，或者說現在的M理論會發展到什么樣子，我們現在無從得知。也許那時候，我們會發現超弦理論只是我們萬里長征的第一步。未來我們還會遇到更多從未見過的思想和概念。

前面我們講到，第二次超弦革命給整個物理學世界帶來了巨大的震撼，但是多數弦理論家認為，我們還需要經歷第三次、第四次那樣的理論革命，才能徹底解放弦理論的力量，確立它終極理論的地位。今天的內容，讓我們將把目光投向弦理論的未來。

過去百年里，我們明白了一個大道理，那就是物理學定律總聯系著對稱性。狹義相對論的基礎是相對性原理所賦予的對稱性——即常速運動的觀測者之間的對稱性。表現在廣義相對論的引力的基礎是等效原理——相對性原理向所有觀測者（不論他們的運動狀態有多復雜的推廣）。另外，強力、弱力和電磁力的基礎是更加抽象的規范對稱性。

等效原理帶來了廣義相獨立，規范對稱引出了引力以為的三種力，那么弦理論本身是不是有更大原理的比如結果呢？當我們展望弦理論的下一個階段時，我們的目標變成了去尋找那個“能不可避免地帶來一切”的原理，整個理論都必然從它那里噴涌而出。

時間和空間是什么？

我們在前面大量使用了時間和空間的概念，也提出了宇宙是10維空間加上1維時間的11維的。空間和時間是不可分割的，它們為什么會交織在一起？因為物體在空間的運動會影響它的時間歷程。牛頓認為時間和空間是構成宇宙的永恒不變的元素。但也有科學家提出質疑，他們聲稱，空間和時間不過是為了方便概況宇宙中的物體與事件間的關系的記錄本而已。愛因斯坦的廣義相對論也拋棄了絕對時間和空間的概念。后來的弦理論提出，引力子這個最小的引力單元是一種特別的振動模式的弦。正如電磁場由無數光子組成一樣，引力場由無數引力子組成，也就說，無數跟弦在像引力子模式那樣振動。另外，引力場鎖在彎曲的時空結構里，所以，我們自然要將時空結構本身與大量經歷著相同序列的引力子振動模式的弦等同起來。簡而言之，弦編織了宇宙的時間和空間結構。

在我們以前討論過的弦理論的特征中，下面3個也許是最重要、最應該牢記的。

第一，引力和量子力學是宇宙如何表現的最主要內容，任何一個可能的統一理論都必須包括它們。弦理論實現了這一點。

第二，通過物理學家在過去100年的研究，還揭示了其他的重要思想——許多都被實驗證實了——它們對我們認識宇宙起著關鍵作用。舉幾個例子，這些思想包括，自旋、物質粒子的族結構、信使粒子、規范對稱、等效原理、對稱破缺和超對稱性，等等。所有這些概念都自然出現在弦理論中。

第三，在傳統理論如標準模型中，有19個可以調整的參數來保證理論與實驗測量的一致。弦理論則不同，它沒有可調的參數。從原則上講，它蘊含的一切都是完全確定的——它們應該提供絕不含糊的檢驗，以判別理論是對還是錯。

在未來10年，我們可以樂觀地期待，在日內瓦的巨型量子對撞機投入運行之前，弦理論的認識會取得巨大的發展，能在發現超對稱伙伴粒子之前做出一些關于它的具體預言。那么證實那些預言將是科學史上不朽的篇章。

我們能解釋一切宇宙的規律嗎？

愛因斯坦很多年前提出：宇宙最不可理解的事情，就是它是可以理解的。

在飛速進步的時代，動人的發現很容易使我們盲目地信任自己對宇宙的理解力，但理解力或許真的有它的盡頭，也許我們需要接受，當我們達到宇宙最深層的科學認知后，宇宙依然有一些我們不能解釋的事情，也許那個解釋宇宙的終極理論永遠也不會出現。