《果殼中的宇宙》讀書筆記

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《果殼中的宇宙》是史蒂芬·霍金為其成名著作《時間簡史》在XX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(theory ofeverything)。

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。

以上是對霍金的最新科普書籍《果殼裏的宇宙》的簡述，其中每一段的內容都是很多科學家多年研究的結果，因而在短時間內理解這些內容是不可能的。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。

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