果殼裏的宇宙讀書筆記
《果殼中的宇宙》是史蒂芬·霍金為其成名著作《時間簡史》在2001年寫的續篇。
你或許很難理解愛因斯坦的《相對論》,但讀過《果殼中的宇宙》的前兩章後,你便可瞭解它所基於的哲學原理。讀完這本書之後,你就瞭解了建立一個統一“量子理論”和“相對論”的理論的重要性,以及物理學家為之所進行的探索。
在眾多的理論中,弦理論被認為是最有希望的理論,因而霍金的這本書中投入了大量的篇幅來解釋什麼是弦理論。弦論假設不存在粒子,而只有弦在空間中運動,一條弦就是一個畫在空間中的圈,各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。當一條弦隨時間運動時,它的軌跡不是一條線而是一根管子。兩條弦還可以結合形成一條新弦,一條弦也可以分裂成兩條。自然界中的一切相互作用,包括電子和光子的相互作用,都可以用弦的分裂和結合來解釋。從某種程度來説,弦論已經統一了強力、弱力、電磁力和引力,因而弦論也被稱為大一統理論。
在研究的過程中,存在着五個不同種類的自洽弦理論,這與弦論追求一種單一理論的初衷相左。經過數年努力,物理學家終於找到解決問題的鑰匙。儘管目前這一理論還未得到一個大家一致贊同的形式,但至少已為它起了一個名字:M理論。
在M理論中,時空是10維或者是11維的,為什麼日常生活中所見的時空是4維的呢?霍金認為,存在着兩種可能的解釋:一可能是所有額外維的尺度非常小,甚至如普朗克尺度那樣小,實在難以觀察到;二可能是額外維的尺度相當大,甚至可達無窮大,只是在目前的觀察條件下尚未觀測到。霍金認為,大的額外維是新理論探索中的激動人心的進展,它藴涵着我們生活在一個胚世界中。強力、弱力和電磁力將被限制在這個胚中,所以任何與引力不相關的物理問題就會和在4維時空中的一樣。與此相反,引力則會彌散到整個高維空間中去。
考慮到大的額外維度,起初的弦理論(認為時空包含4個展開的時空維度和6到10個捲曲維度)中弦的概念可以被可以進一步推廣到p胚,即高維空間的p維客體。霍金認為,時空就是一張推廣了的“膜”,不過這張膜不是2維的,而是4維的(不同於起七年級維的弦)。
霍金認為,在4維“膜”世界中,人類生活在一個胚中,鄰近還有另一個“影子”胚。因為光被限制在胚中,不能傳播到另一個胚,所以人類不能看到影子世界。但是人類會感覺到影子胚中的物質的引力影響。這種引力在人類所在的胚世界中會顯示成一種“暗”源(暗物質)。檢測“影子”胚的僅有辦法是通過引力的途徑。
按照霍金的無邊界設想,胚世界的自發創生有一段“虛時間”的歷史。在這段歷史中,宇宙像一個果殼:一個4維球面(不妨想像成是一個多了兩維的核桃殼)。只是果殼是空的,在這胚世界圖像中的4維果殼是滿的:人類生活其中的胚在虛時間中的歷史是一個4維球,它是一個5維泡泡的邊界,而餘下的5維或6維是捲曲的,並且卷得非常小。
老實地説,到目前為止我也只能理解這本書的前兩章。雖然我也讀過有關弦理論的其它科普讀物(如《宇宙的琴絃》),我仍不能理解弦理論當前發展的狀況。據我所知,弦理論發展的初衷是解決量子理論和相對論之間的.矛盾,之後由於標準模型的成功(統一了強力、弱力、電磁力並與狹義相對相容,但不能包括引力,即與廣義相對論不相容)以及其弦理論給出的預言在實驗中不能被驗證,弦理論受到冷落。之後弦理論的發展是基於小的捲曲維度(小於普朗克長度,對其探測超出當前實驗條件,或許永遠不能被探測)來彌補之前理論的缺陷以及預言,後來為囊括多種版本的弦理論,M理論被提出。考慮弦理論的這個發展歷程,我有中雲裏霧裏的感覺,並對這個研究方向感到極大地擔憂。由於它的發展脱離了實驗驗證,因而我很懷疑發展這種理論的意義所在。
果殼裏的宇宙讀書筆記讀過這本書,使我又豐富了許多知識。書中説,空間實際並不是由三維單單構成的。人們口中常説的“維”其實應該有九或十個。而三維只不過是空間構成的大方向。而題目中的“果殼”,則是粒子與核子。宇宙這個大空間,有許多恆星、行星、銀河系、空間的等極為複雜的物質而構成的。所以,宇宙是一個沒有歷史的空間,它一直到現在還在不斷地向外膨脹。宇宙中有一個很神祕的東西——黑洞。
從書中的語句裏,可以間接地拼湊出一個信息:黑洞有許多個!而這一重要信息也使我想到一個問題!這個問題與一部電影有關——“泰坦尼克號”,這部電影對所有人來説都很熟悉,也不便我多説了。其中,據説船長史密斯竟然穿越時空,但他卻認為這只是發生在“昨天”的事。當然,這也許是媒體的炒作,但是,如果説船長史密斯落入海底後穿越了時空呢?是不是就因如此而使他的記憶出現錯亂了呢?我的問題就是:如果宇宙存在多個黑洞,他會不會從這個黑洞進,又從那個黑洞出呢?因為宇宙與地球的時間不一樣,所以他認為只過了一天?當然,關於黑洞問題還有更多的科學家、天文家……來研究,所以,我也沒有必要一直來談論這一神祕空間。
前面也説過了,宇宙會膨脹。而為什麼會膨脹呢?因為在虛時間中的最簡單歷史裏,宇宙是一個球面,相對於地球,多了兩個維。宇宙確定了我們所在的實時間中的歷史,在這個歷史中宇宙在空間的每一點都相同,所以它在時間中膨脹。
而題目中的果殼:粒子,卻會引起很多現象,像預知未來。一隻蝴蝶在東經鼓翼,而就會引起紐約中央公園的巨大雨。這是《侏羅紀公園》中的情節。實際:蝴蝶一下回鼓翼時,一大堆其他因素就會影響天氣,這就是天氣預報為什麼有時不準的原因,而也是人們常説的:“蝴蝶效應。”
而書中説到的:宇宙的歷史是一張在虛時間中存在的曲面。從而我得出結論:實際上,宇宙是一個扭曲的時空。所以,它才能有眾多空間,與“維”。
上面的虛時間與實時間,便是書開頭的與個人時間無關的兩個更為複雜的時就。另一方面的個人時間是:當兩個人面對面靜止不動時,他們的時間便一致,但如果相互運動時,他們的時間則不一致了。
我也認為霍金最後的演講十分精彩!他説愛因斯坦説時空不是平坦的,時空中的物質和能量可以將它彎曲甚至翹曲。這也令我的猜想有了一個確切的答案。
如此類精彩的理論與關於宇宙的探索發現,書裏還寫了好多。儘管這本書沒有用任何華麗的筆風來續寫與表達宇宙的奇妙、美麗和給科學家們、人們帶來的魅力,但他獨特的風格還是吸引了我。21世紀的人們都來看看科學的結晶吧!讓我們瞭解自己生活的世界吧!
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