书城科普宇宙神秘现象未解之谜全集
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第8章 宇宙的时空之谜(4)

如果从普朗克常量来给我们生活的这个宇宙一个解释,就更容易论证平行宇宙存在的可能性。所谓的普朗克常量,就是最基本的能量表示单位。我们所存在的这个星球上,每个物质都有小到不可划分的单位,我们通常用原子来表示这个最小单位。同样,每个物质都有能量,有的能量大,有的能量小,那么能量也应该有个最小的单位,物理学上把这个最基本的能量单位称为普朗克常量。任何物质所包含的能量都是普朗克常量的整数倍,但这仅仅局限于我们所存在的这个世界。

假如我们把这一规律无限地延展,一定会有一个普朗克常量不是我们所认知的普朗克常量的世界存在。比如用“1”来表示我们所知世界的普朗克常量的数值即“普朗克常数”,如果另一个世界的普朗克常数的取值是“2”,那么另一个世界就是建立在普朗克常数为“2”的基础之上。而从1到2之间又有无数个可取的值,因此可能平行存在的世界就可能是无穷无尽。可是我们为什么看不到它们,感觉不到它们,如果位置重叠,我们和它们相遇而看不到对方,会不会撞在一起呢?这种担心是多余的。最能直接表示两者之间关系的例子就是奇数与偶数。奇数与偶数之间不会有交点,永远这样平行存在着,所以它们相遇时会毫无阻碍地穿过对方队列,既不可能感知对方,更不可能相撞。同样,普朗克常量不一样的两个世界就如一排奇数和一排偶数,是能量最小单位的不一样把我们分在了两个空间,这也就使我们永远不会与另一个空间的自己相撞。

虽然理论上这样的时空可以生成无穷多个,但并不能真的像奇数与偶数一样可以从中取出多个值。通过解普朗克常量方程,科学家们只能得出方程的几个合理的解,由此可以构造出几个可能存在的平行空间。但在量子物理学不确定因素的影响下,这些平行空间也可能是不稳定的,如果由这些不确定的普朗克常量构成平行空间,就存在消亡的可能。

那么,对于“祖母悖论”而言,也可以这样认为,宇宙有无数个平行的空间,于是也就能产生无数个并行的时间。如果我们不小心害死了祖母,在这个时空的我就不可能存在,而另一个时空的祖母还活着,于是我也还存在。按此说来,平行宇宙也无所谓“前置”与“后置”之分,任何物质都在运动,都在分化,小到一个粒子,无时无刻,说分就分,世界也因此一直在分化。比方说走路,我在路上走着,前方随时可能出现两条路,我在思考是选择走左边还是选择走右边。于是,世界在我的选择中一分为二,一个我走了左边,另一个我走了右边,这一分化便决定了我这个世界可能的命运,选择走左边的我下一秒钟可能遇到一个乞丐,于是,世界又开始分化,我又得决定是否需要施舍;走右边的我可能遇到一位妙龄女郎,从而有机会与她结伴同行。听起来是不是有些不可思议呢?命运因选择而有了不同的结果。这一点,在尼古拉斯·凯奇主演的科幻电影《预见未来》中得到了最好的解释。

说到因果关系,“蝴蝶效应”就会出现在我们的脑海里。引用网上的解释,“一只南美洲亚马孙河流域的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可能引起美国得克萨斯的一场龙卷风。其原因在于:蝴蝶翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并引起微弱气流的产生,而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。”用辩证法来说,事物是普遍联系的。如果追述宇宙起源于一场大爆炸,那么大爆炸一瞬间的动能、方向、速度等等,决定了之后所有发生的事物,或许也决定了你我的出生和死亡。这样想一想,我们的现实世界也充满了无穷的乐趣呢!

不过,凡事都不是定数,因为量子物理学中也有着不确定性。如一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边,因无法把握这种不确定性,因此,电子转向左边或转向右边的两种可能性,也就形成了两个平行的宇宙世界。

弯曲空间之谜

导言:宇宙是检验人类所发现物理定律的最严肃的法官,被人们奉为金科玉律的牛顿三定律和爱因斯坦的相对论,目前都被证明是不完整的,都不是无懈可击的。曲率——不处处为零的空间称为弯曲空间。初等平面几何所研究的对象是欧几里得空间(欧氏空间)。这种几何的最重要性质之一就是平行线公设:通过给定直线之外的任一点,可作一条直线与给定直线平行。但这个理论在弯曲空间中并不适用。天体物理中常遇到的弯曲空间是黎曼空间。它的一种特例是常黎曼曲率空间。黎曼曲率K等于常数1、1和0的空间分别叫做黎曼球空间、罗巴切夫斯基空间和欧氏空间。所以,欧氏空间可看作黎曼空间的特例。局部黎曼空间可以看作由局部欧氏空间弯曲而来,而大范围的黎曼空间通常是不可能从欧氏空间弯曲得到的。从物理学的角度看,时空的弯曲性质依赖于物质的分布和运动。爱因斯坦的广义相对论给出时空与物质之间的关系和它们的运动规律。通常情况下,时空弯曲的量级是很小的。只有在黑洞或其他强引力场情况下,才有大的弯曲。

当你第一次在爱因斯坦的相对论里见到“弯曲空间”这个字眼时,你一定会困惑不已,真空怎么能是弯曲的呢?

怎样才能使它弯曲起来呢?为了更好地说明,先让我们这样想象:在一艘宇宙飞船里,有人在仔细观察附近的一颗行星。这颗行星的表面完全被深深的海洋覆盖着,因此有着像台球那样的光滑表面。再假设有一条船在那个行星的海洋上沿赤道线朝正东方向行驶着。我们再做一个进一步的假设,这位观察者根本看不见这颗行星,而只能看到这条船。当他研究这条船的运动路线时,他会惊讶地发现这条船走的是一条圆弧,它最后会回到自己的出发点,从而描绘出一个完整的圆周。

假如这条船改变路线,航道就会变得弯弯折折的,不再是个简单的圆周。但是,不管它怎么改道,无论它怎么行进,它的航线总是在一个球面上。根据所有这些事实,这位观察者可能会推断出,这条船被束缚在一个看不见的球体的表面上,而束缚它的力正是指向球体中心的重力。不这样的话他可能会认为,这条船被限制在一块特殊的空间里面。

这块空间是弯曲的,而且弯曲成一个球形,从而迫使这条船走出这样的路线来。换句话说,我们必须在一个力和一种空间几何形态之间作出选择。你或许会想这是一种想象出来的局面,但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的,正像一条船在某个看不见的曲面上行驶一样。至于这条椭圆路线,我们是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的,正是这种引力使地球保持在它的轨道上。不过,我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——我们是通过物体在这个空间运动的方式来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”,各种物体就会走直线从这个空间中通过;如果空间是“弯曲的”,各种物体就会走出弯曲的路线来。一个具有一定质量和速度的物体,如果在离开其他质量都很远的地方运动,那么,它的路径真的可以说是一条直线。

而当它走近另一个质量的时候,它的路径就会变得越来越弯曲,显然,是质量把空间弯曲了。质量越大,离质量越近,空间弯曲的曲率就越大。把万有引力看作是一个力,看来要比用空间几何形态去解释它会更方便也更利于理解。但是,如果在考虑光的行进时,情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点,光是不受重力影响的,因为它没有质量。

然而,当光在弯曲空间里穿过时,它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来,它在太阳这个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了。

1919年,爱因斯坦的这一理论在一次日食期间受到了检验,人们把太阳位于空间某处时靠近太阳的某些恒星的位置与太阳不在此处时这些恒星的位置进行了比较,结果爱因斯坦的理论有了可靠的证据。

用弯曲空间来讨论万有引力,看来要比用力学术语更为精确。不过,我们还应该提一下,1967年,人们对太阳的形状所进行的精密测量,发现爱因斯坦的引力理论出了问题,不知今后将会发生些什么情况。让未来证明一切吧!宇宙是如何分裂的。

导言:这是科学家对宇宙诞生所描绘的又一幅场景,也是现代科技对宇宙的进一步认知,事实是不是这样,还要看将来的发展。在宇宙的初始期,它诞生的10~43秒内,它的直径仅有10~33厘米,含有丰富的十维空间,所有的空间维都平等地蜷缩在一起。在那样的空间中,宇宙的能量极高、温度极高,所有四种力都融为一体,相对论和量子理论可以归结为一个理论。

但是,这样高维度、高能量、高温度的空间是十分不稳定的,就像胀气太多的气球,于是大爆炸发生了,维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来,逐渐形成了我们今天可感知的宇宙;而另外六维的空间则仍然蜷缩在普朗克尺度(即10~33厘米)以内。

当宇宙处在1032K这样极高的温度(这温度比我们得到的太阳的温度高1026倍)时,引力与其他大统一力分离开来,引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力。随着宇宙进一步胀大和冷却,另外三种力也开始破裂,强相互作用力和弱-电力剥离开来。

当宇宙产生9~10秒之后,它的温度降低到了1015K,这时弱-电力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度,所有四种力都已相互分离,宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。接下来,随着宇宙进一步冷却,夸克组合成质子和中子,它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后,稳定的原子核开始形成。

当大爆炸发生30万年后,最早的原子问世了。宇宙的温度降至3000K,氢原子可以形成,其不至于由碰撞而破裂。此时,宇宙终于变得透明,光可以传播数光年而不被吸收。在大爆炸发生100亿至200亿年后的今天,宇宙惊人的不对称,破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却至3K,这十分接近绝对零度。

这就是宇宙的演变史,随着宇宙的渐渐冷却,力将解除相互的纠缠,逐步分离出来。

引力最先挣脱出来,然后强相互作用力,接着弱力,最后只有电磁力保持不破缺。

神奇的超弦理论

导言:科学从来就离不开技术的支持,但科学总是超前于技术,有时科学达到的高度,却长时期没有技术手段去证明它,这就造成了科学理论的“神奇”。不过人类只要有了科学的理论,总会想办法去证明它,只是那时间要多长却不得而知。今天,我们已经完全能设想到,浩瀚宇宙中所有纷繁复杂的现象都可以追溯到同一个源头,人类发现的大大小小的规律最终都可以被一个根本的规律所囊括。为了理解这一点,我们以地球生命的发展为例:我们人类不同的人种都可以追溯到同一个起源,而人、猩猩、猿猴又可以追溯到同一个祖先,以此类推,所有的哺乳动物都拥有相同的祖先,所有的动植物也都拥有相同的祖先,最后,所有的生命都起源于同一个细胞——生命只有一个起点。