互动科普

维兰金和霍金两人提出的宇宙诞生模型依据的是广义相对论和量子论两个理论，然而，他们的这个模型却不可能对宇宙诞生那一瞬间的事情做出正确的说明。

要了解宇宙（时空）的性质必须要知道引力的性质。广义相对论已经能够很好地说明宏观世界（我们肉眼看见的具有普通大小的这个世界）中引力的性质，但是宇宙诞生涉及的是一个极其微小的区域，属于微观世界。关于微观世界的事情，广义相对论就无能为力了。

量子论则是专门说明微观世界的一个理论。不过，现在的量子论只能够说明原子等物质和光的性质，还无法说明微观世界中引力的性质。

说明微观世界的引力需要新的理论

此前介绍的维兰金和霍金的宇宙诞生模型，是他们两人在广义相对论的框架内直接应用量子论而得到的一种假说。换句话说，他们并没有将处理微观世界的量子论与广义相对论两者融为一体，也没有对宇宙诞生瞬间的事情做出正确的说明。要对宇宙诞生瞬间发生的事情真正作出说明，则要求进一步发展处理微观世界的量子论，将其改造成也能够很好地说明微观世界引力性质（时空）的一种理论。物理学家期待中的将量子论发展为也能够处理微观世界引力的这种理论叫做“量子引力理论”。

有望实现“力的统一”的多年梦想

自然界总共存在着4种基本力，即引力（重力)、电磁力、强力（将一类叫做夸克的基本粒子互相结合在一起的那种力）和弱力（引起中子衰变为质子的那种力)。这其中，强力和弱力只出现在微观世界中。

现在已经有了将电磁力、强力和弱力这3种力放在一个框架内处理的（统一）理论（尽管还有一些具体细节尚有待完成），遗憾的是，还剩下引力没有得到统一。能够处理微观世界引力的量子引力理论还有望成为将4种力统一起来的那种终极理论。

超弦理论也许最有希望成为终极理论

现在，被物理学家认为最有希望成为这种终极理论的是受到广泛关注的“超弦理论”。

现在的物理学认为，一切物质，连同传递4种力的粒子在内，全都是由没有大小的以“点”的形式存在的“基本粒子”构成的。基本粒子的种类很多，即使有不同的计算方法，至少也有十几种。物理学家还在继续寻找，有人认为大概还应该存在着许多没有被发现的其他种类的基本粒子。不过，对于自然界的现象，物理学家总是希望尽可能简单地加以统一说明，因此“出场人物”（基本粒子种类）还是越少越好。

超弦理论将所有的基本粒子都看成是同一种弦线的不同状态。这里所说的“弦”当然极其微小，宽度大概只相当于普朗克长度，长度也短到无法用现在的实验来加以验证。不同基本粒子的区别仅在于各自的振动方式不同。就像吉他的琴弦，同一根弦线，手指按在不同地点，弹出的则是不同音高的声音。声音不同只是由于弦线的振动不同。在超弦理论中，弦的不同振动方式分别对应着不同的基本粒子。

在超弦理论中不是把基本粒子看成“点”，而是看成一种“弦”，这样就可以把传递引力的基本粒子用“闭弦”来表示，从而有可能将包含引力在内的4种力统一起来。

我们的宇宙难道是一张“膜”？

在维兰金和霍金提出的宇宙诞生模型中，宇宙诞生自什么都没有的零。我们还要介绍两个新的宇宙诞生模型，在这两个模型中都是以先有其他宇宙存在为前提，我们这个宇宙则是诞生自先前已经存在的其他宇宙。

由超弦理论发展起来的一种新的宇宙论叫做“膜世界”。按照这种宇宙论，我们这个宇宙被看成是飘浮在高维空间中的一张“膜”。所谓高维空间是指比我们知道的这个三维空间具有更多维次的一种空间。说我们的宇宙是一张膜，并不是说膜宇宙就是我们日常见到的那种没有厚度的二维膜，而是强调在我们这个三维空间之外还存在着额外的高次维。在纸平面上难以用图形来表现三维空间之外的那些高次维，所以在图中略去了一个维次，用了一张二维膜来表示三维膜宇宙，而用三维空间来表现膜外的高维空间。

对于物质和光，与它们对应的弦线的两端同膜粘连在一起，不同的粘连方式表现为具有不同性质的基本粒子。这样的弦线不能在三维空间以外的更高维空间移动。我们的眼睛靠接受光来看见物体，与光对应的弦不能沿高次维移动，所以我们看不见三维空间以外的更高维空间。

弦线的两端彼此粘合在一起形成一个圈，这就是传递引力的闭弦。这种闭弦可以脱离膜自由移动，因而能够在更高维空间中传递引力。

开弦的两端同膜宇宙粘连在一起？

在称为“膜世界”的一种宇宙论中，我们这个宇宙被看成是飘浮在高维空间中的一张膜。两端同这张膜粘连的弦对应的是物质和光，所以物质和光被禁锢，不可能脱离膜宇宙。弦线闭合为一圈成为闭弦，这是传递引力的弦。传递引力的弦能够脱离膜宇宙在高维空间中移动。

（本文发表于《科学世界》2013年第7期）