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发信人: redfox (食人族), 信区: Science
标  题: 漫谈统一场理论(五)：自然选择和pre big bang假
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年06月16日20:45:35 星期五), 站内信件

  
自宇宙大爆炸理论出台后，各色各样的宇宙模型如臭水塘边上的蚊蝇般铺天盖地地
 
涌现出来；即使在理论物理的学术圈子里，也象肮脏油腻的厨房内蟑螂一样层出不
 
穷。传统时空观被打破，物理世界的神秘激发起人们的探索欲望。粗制滥造的科普
 
科幻更让某些对数学没有知觉的老兄欣喜若狂：你看人老爱，嗯？专利局的小职员
， 
不就是意识到光速不变？就第一科学家了都！同样难以验证的玩艺儿，凭什么说老
 
爱老霍是在搞科学，咱哥们弄的就不值一提呢？ 
  
呵呵，不错，这一节介绍的东西，正如陈拴牛说的：“也没有多少根据！”可是，
 
我们不得不承认他们是在做科学研究，因为那些假说是建立在解决现实问题的基础
 
上，而不是凭空想象的数学游戏。 
  
宇宙学的自然选择理论，是指宇宙并非是单一的，我们所处的宇宙，是经过不断生
 
成淘汰后形成的有比较“好”的物理量的，即最终能产生我们人类中的一个。
Pre-Big 
bang理论是指大爆炸前也存在着时空。这两个假说似乎太过玄虚，如果它们还能称
 
为科学假说的话，必定有著产生这些假说的物理机制和现实要求。我着手写这一节
 
时，最主要的，也是最困难的，就是挖掘提出这两个假说的动机。 
  
大凡宇宙模型，必须能够合理地解释现在已经观测到的各种现象。比如流行于一时
 
的，由Friedmann-Robertson-Walker(FRW)根据爱因斯坦引力场方程构造的模型，
就 
曾被物理学界视为标准的大爆炸演化模型。近年来，一些宇宙模型相较于FRW，作
了 
些改进。如今常用的理论模型中，揭示了宇宙早期历史上有个暴胀阶段，时空形成
 
后一秒钟，宇宙膨胀了约10的30次方倍，温度降至约100亿度。令人惊异的是：暴
胀 
期的膨胀率差不得一丁半点！若大爆炸后一秒钟时膨胀率小那么十亿亿分之一，宇
 
宙还没到达今天就已经坍缩成一个奇点了；若 ┱ 期膨胀率稍微大那么一点，物质
 
间距离就会散得太开，粒子将不可能凝聚成我们今天所看到的星体，也就是说，我
 
们人类和其他生命将不可能存在。大爆炸开始时的宇宙仅有普朗克尺度大小(这也
是 
所以应用量子论处理宇宙初始时期的原委)，如果不用暴胀模型，如上一节所述，
宇 
宙将会在极短的时间内坍缩成黑洞；更为重要的是，不用暴胀模型，将难以合理地
 
解释当初的时空曲率是如何演变成如今的时空曲率的。另外，我们这个宇宙中组成
 
原子核的质子与中子的匹配也是近乎完美的，只要质子和中子的质量之差与现今的
 
数值相差一些，核聚变反应链便会中断，那就意味着不能形成较重的元素，譬如氦
 
核，我们因此也就不可能存在。诸如此类的巧合，使得人们很容易想起达尔文的进
 
化学说，于是自然选择理论便应运而生了。 
  
为了解释何以存在一个如我们今天看到的完美宇宙，八十年代，有位前苏联的科学
 
家林德(Andre□ Linde)提出一个可能的假设：我们所处的宇宙仅仅是众多宇宙中
的 
一个，由于宇宙在数量上十分庞大，所以概率上能产生如我们这般近乎完美的宇宙
。 
九十年代，这一观点发展成了宇宙自然选择理论。大爆炸后产生的宇宙，其中的物
 
理量可能决定了它的短命，于是它坍缩成黑洞。注意到黑洞有所谓的霍金辐射，最
 
终能够蒸发掉奇点并重新爆炸，形成一系列新的宇宙，新宇宙内的系统参数各不相
 
同，如此第二、第三代，代代相传。某些参数良好的系统会发生暴胀，从而存活下
 
来。由这类自然选择，生成了我们这样各方面很优秀的，有著人类生存条件的宇宙
。 
  
  
虫洞模型的得出，增强了自然选择原理的根据。虫洞是一种联结各个不同宇宙或黑
 
洞的管道，这种时空几何图案给予自然选择假说以证伪的希望，虽然这个希望实在
 
过于渺茫。 
  
穿越虫洞，并非象科幻作家说得那么容易。理论上，它甚至是不可行的。首先，我
 
们并不知道黑洞内部的时空结构。对于非旋转的黑洞，穿越虫洞的速度必须大于光
 
速。对于旋转的或带电荷的黑洞，穿越虫洞的速度可以小于光速；可是当一般的物
 
质穿越虫洞时，漏斗状的虫洞咽喉会立刻关闭，要使虫洞咽喉保持开放，物质必须
 
处在非常奇特的形式下，至少是在不可测的度量内，譬如光线座标架内物质有个负
 
能密度，物质的这种状态是我们至今还没有发现过的。 
  
早在1949年，德国数学家Kurt G□del得到一个爱因斯坦引力场方程的解，一个旋
转 
的宇宙模型。在这个解里，回到过去成为可能。但他用了个不切实际的边界条件，
 
而且旋转的宇宙也不为人所接受，因此当时并没有引起很大的注意。近些年来由黑
 
洞研究宇宙，这类解的问题又被重新提出，原因是量子宇宙学的兴起，理论物理学
 
家发现只要不违背因果律，量子力学测不准原理允许粒子或反粒子返回到过去。对
 
于那个著名的grandfather paradox(孙儿回到过去杀死祖父)的解释，也可归结到
多 
元时空，即把回到过去说成是旅行于不同的宇宙，不同宇宙间的事互不相关，不存
 
在前因后果。不过，这类解释还是过于牵强附会。在穿越虫洞的可行性问题没有解
 
决前，我们宁愿说回到过去是不太能够实现的。 
  
最后谈一点 pre-big bang。 
  
传统的，由广义相对论引力场方程构造的宇宙大爆炸数学模型，一般是说我们的时
 
间和空间起始于一个奇点上的爆炸，在宇宙诞生后短短不到一秒钟内，宇宙经历了
 
暴胀阶段(inflation)，之后，它以常规速度继续膨胀直至今天。从一个不具空间
体 
积的几何点上生成演化，宇宙在开始时一个极短的时间内，其空间尺度必定相若于
 
普朗克常数(h=6.626×10^-27尔格·秒)。这意味着，在这段时间内，应该用量子
力 
学理论代替爱因斯坦的相对论力学理论来处理宇宙。这也是物理学界迫切希望建立
 
统一场论的原因之一，将不相容的量子论和相对论和谐地统一起来。比较而言，超
 
弦理论是目下最好的统一场理论。 
  
超弦理论是用弦的波动来描述粒子的。数年前，超弦论的首创者之一，意大利物理
 
学家Gabriele Veneziano将超弦论应用于宇宙起源，他于时间原点处作了一个关于
 
描述宇宙初期那些弦的时间反演，得到的时间镜象便是时间原点前的宇宙---原始
宇 
宙(Univers primitif)。随著负值时间的延长，原始宇宙越来越冷，越来越虚空，
 
最终它完全一致和均匀。 
  
这个新版本的宇宙起源和演化的模型没有相对论中时空奇点的概念，它用波弦的高
 
度密集来描述时空坍塌，即黑洞现象。它加了个新粒子---膨胀子(dilation)，当
然 
也用弦表达，用以驱动时空的膨胀。引力子和膨胀子正好组成作用相反的一对对称
 
体，并且这种膨胀子在黑洞内部起着催生时空泡(bulle d'espace-temps)的作用。
 
象近三十年来探讨宇宙起源的常用理论一样，它也将黑洞的学说套用在宇宙模型的
 
塑造上。又冷又空虚的原始宇宙只有一滩滩的波弦，在这混沌状态中由于引力波和
 
膨胀波的启动，导致波弦的迭加混合，冒出了“时空泡”，时空泡可能有好多个，
 
有些早夭了，有些继续发育，其中一个“好”的时空泡逐渐变热生能，突然间快速
 
膨胀(对应于传统的大爆炸和暴胀时期)，接著以常规速度膨胀生成了我们今天的宇
 
宙。 
  
之所以产生这一理论，一个原因是难以忍受那个时空奇点的假说，更重要的原因是
 
我们的宇宙在大尺度上高度地各向同性。除非有某种特殊性，譬如在上帝的捏合下
 
宇宙各区域以同样温度开始，这种高度的一致和均匀是传统宇宙模型所解释不通的
。 
上世纪八十年代Alan Guth提出的暴胀模型，相当合理地解释了宇宙大尺度上的各
向 
同性。但是该理论从暴胀过渡到正常膨胀却遇着了困难，找不到这种转变的机制。
 
为解决这一难点，Guth提出“时空泡泡”观点：时空泡各自膨胀和相互迭加，宇宙
 
变成新相。可是宇宙那时膨胀得太快，硬要时空  膨胀的速度赶得上宇宙膨胀的速
 
度，似乎过于免强，而且会相互分离。这样，让宇宙等同于一个时空泡就成了顺理
 
成章的构想了。 
  
Guth的时空泡概念提出后，Linde曾经给出了一个包含宇宙的时空泡，它能导致我
们 
今天的宇宙高度的一致性。霍金为这种思想所激动，但却遗憾这个时空泡尺度过大
。 
如今pre big bang理论指出宇宙就是时空泡，给人以豁然开朗的感觉。可见，即使
 
如霍金般隽智，要捅破一层纸也不容易。 
  
希望从一个任意的，混沌的初始状态推导出我们现在所处的宇宙，就有了前面所说
 
的多元宇宙的模型和这里所说的超弦宇宙的模型。 
  
最后强调一点：这个超弦宇宙模型似乎在时间原点处(传统大爆炸模型的时空奇点
， 
时空曲率在此处无穷大)仍有麻烦。在计算中这一点用非常强的热源代替。 
  
是科学理论就必须能证伪。据发明者声称，原始宇宙应在今天的宇宙中留下痕迹，
 
发现这种特殊的引力波将成为以后天文学家的证伪任务。 
  
关于这一节多元宇宙和pre-big bang的理论模型，见 
(1).Alessandra Buonanno & Thibault Damour & Gabriele Veneziano. 
Nuclear 
Physics B543, March 1999. 
(2).Stephen Hawking & Neil Turok. Physics Letters B425 p.25-32 April 
1998 
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