互动科普

小提琴的琴弦是固定在琴身上振动的。改变了琴身，音色也会变化。类似地，超弦理论中的弦也是粘在像薄膜一样的东西上振动着，这个弦所依附的东西就被称为“膜”(brane）。虽然称作“膜”，但它不一定就是2维的面，也可以延展到3维，甚至更高维的膜也是存在的。

开弦（组成光和物质的基本粒子）的两端连接在膜上，所以能够在膜上滑动，却不能离开膜。闭弦（引力子）没有和膜相连的端点，可以离开膜，在更高的维度上运动。

“膜”是裹在宇宙空间上的吗？

那么，这种膜存在于宇宙中的何处呢？

根据从超弦理论派生出来的“膜世界”假说，宇宙空间到处都“充斥着”膜，换句话说，宇宙空间本身就是一张大的膜。就像是我们一直生活在充满空气的空间中反而感觉不到空气一样，我们一直生活在膜“中”所以也没有发觉。

在这种情况下，膜就“漂浮”在高维空间（我们已知的3维和隐藏的维度组成的空间）中。一开始，从我们人体到构成所有物质的基本粒子都是开弦，所以物质是粘在膜（3维空间）上的，无法进入到更高维的空间。

因为光也是开弦，所以也只能在膜上传播。我们能通过光来看见这个世界，所以可以确认，光不能在高维世界存在。

另一方面，传播引力的引力子是闭弦，所以能够在高维空间中移动。这就是说，引力是可以在更高的维度传播的。

“膜世界”目前还只是假说。但如果是真的，它将从根本上颠覆我们的宇宙观。

世界是一张浮在高维空间中的“膜”！？

1. 弦与膜的关系。开弦不能离开膜，而闭弦能够在高维空间中飞行。

2. 基于“膜世界假说”的世界的图像。物质和光被粘在这个膜上无法离开，这也是我们没有觉察到高维空间存在的一个理由。

横贯宇宙，长达100亿光年的“弦”?！

通常的弦，小到无论用什么仪器都看不到。但是在大爆炸宇宙诞生之际产生的弦，就可能长成巨大的“宇宙弦”在空间中飘荡。

在大爆炸时，宇宙是一个高温高密度的炙热世界，产生了大量的弦。一般认为，它们之间不断地互相融合，就产生了大型的宇宙弦。

现在这个长度甚至已经到达了可观测宇宙的大小，大致有100亿光年以上。

宇宙弦引起的“引力透镜效应”

直接用望远镜去发现宇宙弦是十分困难的，但有可以间接确认其存在的方法。

宇宙弦产生的引力，会偏转那些经过它附近的光，形成所谓的“引力透镜”，其效果就是从地球上看去，宇宙弦背后的天体（比如更遥远的星系），可能会分成两个像。

如果是巨型的星系集合（星系团）所产生的引力透镜效应，那么生成的像会扭曲成弧状；但如果是在宇宙中延伸着的宇宙弦所引发的，那么生成的像看起来将是平行的两个。不过，从现在的众多引力透镜的实例中，人们还没有发现可以被认作是宇宙弦的情况。

从整个超弦理论来看，对宇宙弦的预言可以说只是一个“旁门”。但是，用实验来验证超弦理论非常困难，因此如果可以从天文观测的角度去验证的话，倒也是非常有意义的事情。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）