我们所处的世界是相互碰撞的宇宙衍生出来的吗？

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相互碰撞的宇宙
现在就把M-理论应用到严肃的宇宙学可能有点为时过早。然而，物理学 家已经尝试应用这一新的“膜物理学（hrane physics) ”，以便在宇宙研究中通常 采用的膨胀方法中加进新意（make a new twist)。有三种可能的宇宙学引起人们

注意。
第一种宇宙学试图回答这样的问题：为什么我们生活在四维时空中？原则 上，M-理论在11个维度以下都可以成立，所以，为什么单单是四个维度，似乎是 件神秘莫测的事。罗伯特布兰登伯格（R()l)ert Brandenberger)和库姆兰瓦法 (Cumrun Vafa)猜测，这也许是由弦的几何特性造成的。

在他们设定的场景中，宇宙是以完美的对称起始的，所有较高维度都在普朗 克尺度上紧紧地卷起o阻止宇宙扩张的是一个环套又一个环套的弦，紧紧地缠 绕在各个维度周围。想象一个压紧的弹簧圈被弦紧紧地缠绕着不能张开。如果 弦绷断了，弹簧圈会突然弹开扩张。

在这些微小的维度中，由于既有弦的缠绕，又有反弦的缠绕（大体上来说， 反弦与弦的缠绕方向相反），所以宇宙被阻止扩张。如果弦和反弦相撞，它们就 会消失掉，就像解开了一个结，结就不复存在了一样。在非常大的维度中，“地 方”要大得多，弦和反弦很少能碰撞到，也从来不能解开。然而，布兰登伯格 (Brandenberger)和瓦法（Vafa)显示，在三个以下的空间维度中，弦与反弦碰撞的 可能性就比较大了。一旦发生这种碰撞，弦就解开了，这些维度就迅速向四外弹 开，形成了大爆炸。这幅图景的引人入胜之处，在于弦的拓扑学特性大致解释了 为什么我们能够看到我们周围熟悉的四维时空。更高维度的宇宙是可能的，但 不大可能被看到，因为它们仍被弦和反弦紧紧地包裹着。

但是M -理论中也还有其他的可能性。如果宇宙可以互相挤压，或从一个 中爆出另一个，产生出新的宇宙，那么说不定相反的过程也有可能发生;若干宇 宙可以碰撞，其间产生出火花，繁衍出新的宇宙。在这种情况下，大爆炸的出现 也许是因为两个平行的膜宇宙之间发生了碰撞，而不是孕育出了一个宇宙。

这第二个理论是由普林斯顿大学的保罗施泰因哈特（Paul Steinhardt)、宾 夕法尼亚大学的伯特欧弗鲁特（Burt Ovmt)和剑桥大学的尼尔杜洛克（Neil Turok)提出的，他们创立了 “火劫（ekpyrotic)”宇宙（希腊文ekpyrotic的意思是 “大火灾”）学说，以便包容M-膜图景中的新特性，其中，有些额外的维度可以很 大，甚至无穷大。他们从两个平坦的、同样性质的，而且是平行的三位膜着手，它 们代表一种最低能量状态。起初它们是空寂寒冷的宇宙，但引力逐渐把它们拉 到一起。最后它们发生碰撞，碰撞产生的巨大动能转化为构成我们宇宙的物质 和辐射。有人把这叫做“大劈开（Wg splat)”理论，以区别于大爆炸理论，因为它 是由两个膜的碰撞造成的。

碰撞的力量把两个宇宙互相推开。随着这两个膜互相越离越远，它们迅速 冷却，形成我们今天看到的这个宇宙。冷却和膨胀持续几万亿年，直到宇宙的温 度达到绝对零度，其密度在一百万的四次方立方光年（1024立方光年。——译者 注）的空间中只有一个电子。这样，宇宙实际上就变成了一片空荡死寂。但是 引力继续吸引两片膜，直至几万亿年以后，它们再次相撞，这个循环周而复始。

这种新的描述能够得出符合膨胀说的结果（例如均匀度和统一性等）。它 还解决了宇宙为什么这么平坦的问题——因为作为两片膜，它们一开始就是平 坦的。这个模型还可以解释穹界问题（horizon problem )，即，为什么宇宙从一切 方向上看过去都是这样惊人地均衡。这是因为膜已经经历了很长的时间来逐渐 达到平衡。这样，膨胀学说以宇宙猛然膨胀来说明穹界问题，而这个学说则以相 反的方式来说明穹界问题:宇宙是以慢动作达到平衡的。
(这同时也意味着，超空间中可能还悬浮着其他膜，将来可能会与我们这个 膜碰撞，造成另一次大劈开。由于我们的宇宙事实上正在加速膨胀，所以另一次 碰撞实际上是可能的。施泰因哈特补充说说不定宇宙膨胀加速正是这场碰 撞的前奏，这让人想起来不寒而栗。”）
任何公然挑战占主流地位的膨胀学说的学说都注定会引起激烈的反响。事 实上，这篇论文放到网上不到一个星期，林德（Lirule)和他的妻子列娜塔卡洛 什（Renata Kallosh，她本人就是个弦理论家）以及多伦多大学的列夫霍夫曼 (Lev Kofman)就发表了对这一学说的批评文章。林德批判了这个模型，因为凡 是像两个宇宙相撞的那样的大灾难，都可能造成一个奇异（singularity),其温度 和密度都接近无穷。“那就好比有人向黑洞中扔进一把椅子，黑洞会把椅子的 粒子蒸发掉，而那人却还说椅子的形状依然存在一样。”林德驳斥道。

施泰因哈特反驳说从四维空间看来好像奇异的东西，在五维空间未必仍 然奇异……当两片膜挤到一起时，第五维度会暂时消失，但膜本身并不消失。所 以密度和温度不会升至无穷，而时间依然持续。虽然这时广义相对论已错乱，但 弦理论不会。而且我们的模型中曾经看来像是灾难性的东西，现在看来是可掌 控的。”
施泰因哈特所依仗的是M -理论的威力，众所周知该理论可以消除奇异问 题。事实上，理论物理学家需要有量子引力理论的初衷，本来就是要消除一切超 位数（all infinities)。然而林德指出了这一学说中存在的一个概念上的弱点，即 膜从一开始就存在于一种平坦均衡的状态之中。“如果你从理想状态着手，你 也许确实能解释眼前看到的现象……但你还是没能解释这个问题:宇宙为什么 一定会在理想状态中开始呢？”林德问道。施泰因哈特回答说平坦加平坦等 于平坦。”换句话说，你只能从一开始就把膜设想为处在最低能量状态上，而在 这种状态下它只能是平坦的。
艾伦古思（Alan Giah)则保持了开放态度。“我想保罗（Paul)和尼尔 (Neil)还远未能证明他们的学说。但他们的想法无疑值得一看。”他说。他反过 头来又向弦理论家们发起进攻，要求他们解释膨胀学说，“从长远观点来看，我 认为弦理论和M _理论不可避免地需要把膨胀学说纳人进来，因为膨胀学说显 而易见地回答了它所要解决的问题，也就是为什么宇宙是如此均衡平坦的。”于 是他问了这样一个问题:M _理论能够推导出膨胀过程的标准图景吗？
最后，还有另一个参与角逐的宇宙理论，它运用的是弦理论。这就是加布里 尔维内齐亚诺（Gabriele Veneziano)的“前大爆炸理论（pre-big bang theorty)", 维内齐亚诺就是帮助创立了弦理论的物理学家。根据他的理论，宇宙开始的时候实际是一个黑洞。如果我们想知道黑洞里面是什么样子，我们只 须向外看即可。
根据这项理论，宇宙实际已经历了无穷岁月，是在遥远的过去以近乎空寂寒 冷的状态开始的。引力作用开始在宇宙各处创造出物质的团块，它们逐渐凝缩 成一些密度极大的区域，最终变成黑洞。每个黑洞开始形成事件穹界（event horizon)，把事件穹界的外部与事件穹界的内部永久分隔开。在每个事件穹界之 内，物质继续在引力作用下收缩，直至黑洞最终达到普朗克长度。
这个时候，弦理论开始作用。普朗克长度是弦理论所允许的最小长度。这 时黑洞开始以巨大的爆炸力发生反弹，造成大爆炸。由于这一过程可能在宇宙 各处反复出现，这意味着，在遥远的地方还可能有其他的黑洞/宇宙。
(我们的宇宙可能是一个黑洞这一想法其实并不像它看起来的那样离谱。 我们直觉上认为，黑洞一定有极高的密度，有巨大的、能把一切碾碎的引力场，但 实际并不总是这样。黑洞事件穹界的大小是与黑洞的质量成比例的。黑洞的质 量越大，它的事件穹界就越大。但是，事件穹界越大，物质铺开的体积就越大;结 果，随着质量加大，密度实际会减小。事实上，如果一个黑洞的重量与我们的宇 宙一样，它的体积就会与我们这一宇宙接近，而且它的密度会相当低，可与我们 的宇宙相比。）
然而一些天体物理学家对把弦理论和M-理论应用于宇宙学不以为然。位 于圣克鲁兹（Santa Cruz)的加利福尼亚大学的乔尔普利马克（Joel Primack)就 不像其他人那样客气了 我认为在这件事情上大做文章很愚蠢……这些论文 中所提出的想法本质上是无法验证的。”我们只有让时间去评判普利马克是不 是正确，但因为弦理论的进展步伐在加快，我们也许不久就会找到这一问题的确 切答案，它也许会由我们的人造卫星提供。在第9章我们将会看到，2020年之 前将送上外太空的新一代引力波探测器，像LISA(引力波探测器），将使我们得 以排除或者验证其中一些理论。例如，如果膨胀理论是正确的，LISA应该能探 测到原始膨胀过程所产生的剧烈的引力波。然而“火劫宇宙（ekpyrotic universe)”学说预言宇宙之间的碰撞是缓慢发生的，因此引力波也会弱得多。 LISA应能从实验的角度排除其中一项理论。换句话说，原始大爆炸产生的引力 波所包含的信息，将足以确定哪一种学说正确。LISA将能够首次针对膨胀说、 弦理论和M -理论给出硬碰硬的实验结果。