宇宙爲什麽存在？多重宇宙和人擇原理｜超弦理論7｜統一之路31｜AC茂的模

如何讓超弦理論和我們的現實世界產生關聯 是一個非常棘手的問題 費曼在晚年曾批評過弦理論家沒有做任何計算 也不檢驗自己的想法 格拉肖則認爲 弦理論家甚至不能確定自己的數學形式中 是否包含對於質子和中子這樣的例子的描述 表述超弦必須用十維時空 而我們的現實世界是一個四維時空 因此 弦理論家們只能假設 我們的四維時空中的每一個點 實際上都存在着一個無法被觀測到的微型六維空間 從而爲整個宇宙給出總共的十維 但其中只有四維大到可以被感知到 人們希望這一理論滿足各種自下性條件 一個基本假定是超弦理論的預言 不應該依賴兩維弦世界面的共型變換 施加這一條件並要求理論的超對稱性 會發現六維空間必須在每一點處用三個負變量來描述 並且它的曲率必須滿足某種條件 這一曲率條件只有某些六維空間才能滿足 意大利數學家歐金尼奧·卡拉比 在1957年猜想滿足這一曲率所需要的條件 僅僅是某個拓撲不變量爲0 這就是卡拉比猜想 這一猜想在20年後由華人數學家邱成桐證明 如今滿足這一曲率條件的空間 就被稱爲卡拉比·邱成桐空間 在講標準模型的時候 我提到物質粒子被分爲三代夸克和輕子 在超弦理論中 代的數量就是由卡拉比·邱空間的歐拉數決定的 舉一個簡單的例子 咖啡杯 茶杯 甜甜圈 籃球 在我們常規的認知中 似乎咖啡杯和茶杯的形狀比較像 甜甜圈和籃球的形狀比較像 但在拓撲學中 咖啡杯和甜甜圈屬於同一種類 它們的歐拉數爲0 而茶杯和籃球是同一種類 它們的歐拉數爲2 歐拉數的計算公式非常簡單 就是用面的數量減去邊的數量 加上頂點的數量 比如說 球面可以近似的看作是由四個三角形組成的 它有四個面 六條邊 四個頂點 因此 歐拉數就是2 在六維空間中 卡拉比·邱空間的歐拉數決定了 該空間緊掛後的三維空間的物質粒子代數 它的絕對值是物質粒子代數的兩倍 通過計算 這一數值是6 這也解釋了爲什麼只有三代物質粒子 但這同時又誕生了一個新問題 爲什麼卡拉比·邱空間的歐拉數的絕對值必須爲6 根據超弦理論 如果我們可以標記出空間中某一個無窮小的點 然後不斷的放大 直到我們能看到 10¹⁵¹米尺度大小的畫面時 我們就能看到捲成了卡拉比·邱流行的另外六個空間維度 雖然理論要求這些額外的維度必須隱藏起來 但這並不意味着這些額外維度不會在物理上產生影響 事實恰好相反 卡拉比·邱空間的準確形狀 以及它擁有的洞的數量 決定了可能存在的超弦振動的數量 因此它也決定了物理學常數 物理學基本定律 以及粒子的能量範圍 人話版一句話總結就是 卡拉比·邱空間的形狀決定了我們處於哪一種物理宇宙之中 這樣一來 顯理論家們只要找出哪種特定的卡拉比·邱流行 與標準模型描述的粒子相一致 以及主宰着它們的性質和行爲的物理學定律 相一致就行了 他們堅信 數學的協調性決定了必須存在某個卡拉比·邱空間 能夠描述我們的世界 在20世紀80年代中期 只有幾種卡拉比·邱流行爲人所知 因此每個人可以研究一種 尋找它所對應的物理學 但是這一數字很快增長到了幾千種 到現在爲止 已經有數十萬種卡拉比·邱流行被構建出來了 卡拉比·邱空間的構建和分類 引起了物理學家和數學家之間顯著的互動 但是 想要從中找出一個與我們的宇宙相一致的 無異於大海撈針 對於有一個洞的卡拉比·邱空間來說 有十種可能的形式 而對於有兩個洞的卡拉比·邱空間 可能的形式就變成了十的平方 以此類推 許多數學家都算出 洞的數量大約是五百個左右 也就是說 可能有十的五百次方種 不同版本的超弦理論 由於始終看不到 在未來可以找到正確方向的希望 許多閒論的研究者 逐漸對這一理論失去了信心 並完全離開了這個領域 但仍然有許多人堅守陣地 他們無法接受 在數學上如此優美的一個理論 就此被宣判了死刑 有這樣一個比喻 或許可以比較清晰地描述現狀 當你發現自己掉進了一個無法逃脫的深坑 身邊除了一把鐵鍬別無他物 那你也只能抄起鐵鍬 向下繼續挖了 1983年 蘇聯理論物理學家亞利山大.維廉金 提出了一種 和Lambda CDM大爆炸宇宙模型 不同的一種宇宙模型 三年後 另一位蘇聯理論物理學家 安德烈.林德 進一步完善了這一模型 這就是永恆爆炸理論 在永恆爆炸模型中 我們生活的宇宙 只是無數個爆炸時空的氣泡中的一個 由一個或多個爆炸子場中的量子漲落 所引發 像我們一樣的宇宙 會像氣泡酒中的氣泡一樣 不斷產生 這樣的爆炸宇宙 在本質上是永恆的 沒有開始 也沒有結束 任何形式的宇宙 都可能在這樣的爆炸中產生 甚至它們之間的物理定律 也各不相同 一些樂觀的閒論研究者 並不認爲 存在十個五百四方個版本的理論 就意味着超閒理論的失敗 他們甚至反過來 用這一結論 來證明多重宇宙的存在 這種我證明了我自己 我自己又證明了我的 循環論證理論 照道理來說 應該是活不過一擊的 而且你會發現 這些原理不具備可證僞性 畢竟 如果宇宙不是現在這個樣子 也就不會有我們了 如果說萬有理論 是這個意思的話 那神學應該早就在上面等着了 進入21世紀以後 閒論支持者 和反對者之間的論戰 成白熱化趨勢 有意思的是 這場論戰 和一百多年前 科學史上的 另一次著名的論戰 十分相似 那就是布爾茲曼 與奧斯特瓦爾德之間 發生的原子論 和維能論的論戰 原子論 大家應該都比較熟悉 我就不多介紹了 主要介紹一下維能論 這個理論 現在已經基本消失了 它的提出者 奧斯特瓦爾德認爲 自然科學原有的 物質結構觀念 已不適用 世界上一切事物 支持維能論的科學家 極力否定原子 分子的客觀實在性 他們主張 把物質的概念 從科學中排除出去 認爲能 可以脫離物質而存在 當時 雙方都有各自的支持者 奧斯特瓦爾德的後臺 是否認 粒 場 原子 以及客觀存在的 恩斯特 馬赫 由於馬赫 當時在科學界的 巨大影響力 許多著名的科學家 也拒絕承認 原子的實在性 而支持布爾茲曼的 則是一個沒啥名氣的年輕人 馬克斯 普朗克 他算是布爾茲曼的助手 不過 儘管他們都反對維能論 但普朗克 對布爾茲曼真愛的原子論 並沒有表現出太大的興趣 這讓布爾茲曼 對普朗克的意見很大 到了晚年 當普朗克 向他報告 自己以原子論爲基礎 來推導黑體輻射定律時 他才轉怒爲喜 布爾茲曼 最終贏得了 這場論戰的勝利 但這個孤軍奮戰的過程 或許對於一個科學家的生命來說 有些太長了 晚年 布爾茲曼的痛苦 與日俱增 又沒有什麼好的辦法 可以疏通 他的精神世界 就好像變成了一個孤立系統 按照他做出禪師的 熱力學第二定律 孤立系統的傷 永遠不可能減小 它是在無情地 朝着極大值增長 布爾茲曼的精神世界 混亂成了一個 不可逆的過程 最後 只好選擇用自殺的方式 來結束這一切 在他去世後 後人爲了紀念他 將他給出的 那個解釋了 熱力學第二定律 奧祕的公式 作爲他的墓誌銘 刻在維也納 中央公墓的 布爾茲曼墓碑上 在當時 人們認爲 這場論戰的勝利 是唯物主義的勝利 但在如今的21世紀 還討論唯物主義 和唯心主義 那就無聊透頂了 前面幾期 我一直在強調 閒論支持者 和閒論反對者 哲學觀的分歧 但是分歧的核心 究竟是什麼 我也沒有太明確的答案 只能試着提出 我個人的觀點 我認爲是 人則原理 斯坦福大學 理論物理學家 倫納德·薩斯坎德 於2003年 發表了題爲 《閒論的人則景觀》的論文 許多閒理論家們 也紛紛表示 支持人則宇宙學原理 閒理論家 大力博斯 在他的書中寫道 之所以有很多物理學家 討厭人則原理 是因爲 只要承認了該理論 就會明顯削弱 理論的預言能力 所有的現象 都能根據原理 推導出來 不過 自然界的法則 並不是由 研究者的好惡決定的 有意思的是 他這段 質疑人則原理 反對者的話 我是完全認同的 就像格拉肖 質疑閒理論家們的那句 他們認爲 空間是久違的 完全只是因爲 閒論在其他 任何一種空間裏 都無法存在 這個說法 閒理論家 也是完全認同的 雙方都覺得 對方的軟肋 來攻擊對方 但在對方看來 這非但不是攻擊 而是褒獎 就好像這樣一種場景 這日本人 說好話 咋還沒好臉呢 這樣的論戰 很難有什麼結果 所以我認爲 理論物理的分裂 是必然的 我個人的科學觀是 不符合以下四點中 任意一點 都不能稱作科學理論 第一 等價最簡性 第二 自洽性 第三 解釋和預測現象的準確性 第四 可真僞性 而原則原理 只符合前兩點 我沒想到 自己最後會花這麼多的篇幅 去講閒論 主要原因 也是沒有什麼別的理論 可以講了 作爲理論物理學 唯一的一支正規軍 如果閒論繼續壯大下去 我感到未來 將會是一片灰暗 但如果閒論倒了 那就意味着 理論物理學停滯了 未來依然一片灰暗 還是再次引用一下 基督山伯爵 書中的最後一句話吧 人類的一切智慧 都是包含在四個字裏面的 等待和希望 閒論部分 就講到這裏 下期我們回到 另一條 通往量子引力的道路 圈量子引力論 感謝大家的觀看 下期見