宇宙自然生命简史：26 超弦和宇宙年龄

为了把所有的物理规律统一到一个理论中，物理学家又发明了一种理论，称之为超弦理论。这种理论推测，像夸克、轻子这类最小的基本粒子并不是我们过去以为的“点”粒子，而是一根“弦”，一缕震动着的能量。超弦理论认为时空一共有 11 个维度，我们能感受到的三个是宏观空间维度再加一个时间维度，另外七个空间维度蜷缩在微观的“弦”中。这根“弦”是如此之小，小到足以被我们看作是一个“点”。说实话，我与你一样弄不懂自己正在说的这些东西。我跟你们一样，也只能是囫囵吞枣，记住这些名词。但我可以明确的一点是，有些人，他们会跟你煞有介事的介绍，怎么用超弦理论来解释各种神奇的超自然现象，甚至用来解释时空穿越、神佛鬼怪，灵魂巫术等等，这些人肯定比我对超弦理论懂的还要少，他们更加一知半解，更加不可信。

我给你简单介绍一下超弦理论的发展简史：

物理学界流传着这样一句话——“弦理论是 21 世纪的理论偶然落到了 20 世纪，被好运气的物理学家们拾到了。”

1968 年，有一个叫做维尼齐亚诺（Veneziano，1942- ）的意大利年轻物理学家，他就职于大名鼎鼎的欧洲核子研究中心。大多数物理学家都是数学家，这个维尼齐亚诺也不例外，他对数学是相当的有兴趣。有一天，他闲来无事开始把玩两百多年前大数学家欧拉发明的欧拉函数。

维尼齐亚诺玩着玩着，突然发现眼前这些数字怎么越看越熟悉啊。物理学有时候就会出现这种惊奇和意外，维尼齐亚诺手中的这些数字让他突然就联想到了全世界各地汇集过来的粒子对撞中产生的大量的原子碎片的各种数据，它们似乎有着极其惊人的关联。冥冥之中，似乎两百多年前的欧拉获得了上帝的启示，写下了这个欧拉函数，历经两百多年的时空穿越，维尼齐亚诺偶然发现了这个函数的惊人秘密。但问题是，这个函数虽然很管用，但是没有人能知道这个函数到底代表着什么物理意义，就好像一个小孩背会了九九乘法表，可以轻松地帮奶奶算出菜价，但是小孩却完全不知道这个像歌谣一样的九九乘法表是怎么来的，表示什么意义。维尼齐亚诺面临的尴尬就跟这个小孩是一样的。

要把一团乱麻给理成一根线，最关键也是最难的是要找到线头。现在，揭示微观世界秘密的线头被找到了，就是这个欧拉 β 函数。两年之后，芝加哥大学、斯坦福大学、玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现，如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子，那么它们之间的核作用力就能精确地用欧拉 β 函数来描写。这根弦非常非常小，小到在我们现有的所有实验条件下，它表现出来的都仍然像一个点，实在太小了。

然而，弦理论的这条路非常坎坷，似乎一堆刚刚冒出一点火星的柴堆，还没窜出第一个火苗就被当头浇了一盆凉水。弦理论最初的几个预言被实验数据无情地推翻，全世界的物理学家们在一片唏嘘中都不情愿地把弦理论扔进了废纸篓，只有谢尔克（Joel Scherk）、格林（Michael Boris Green）和施瓦兹（John Schwarz）等几个少数的物理学家仍然没有放弃。他们觉得弦理论所展现出来的数学之美实在是太令人印象深刻了，哪怕在实验数据上有瑕疵，他们也不愿意放弃，他们愿意去修正理论而不是扔到垃圾桶中。经过十多年的努力，终于在一篇里程碑式的文章中，他们解决了矛盾，并且向世人宣告弦理论有能力成为万物理论。这篇文章在物理学界一石激起千层浪，许许多多的物理学家放下手头的工作，激动地阅读格林和施瓦兹的文章，读罢，很多人都马上停掉了手里的研究项目，转而一头奔向这个终极理论的战场，有什么事情能比得上探求统一全宇宙的理论更令人激动呢？

这就是 1984 年至 1986 年，在物理界中的“第一次超弦革命”。为什么在弦理论前面又增加了一个“超”字呢？格林和施瓦兹认为每一个基本粒子必须要有一个“超对称”的伙伴，电子有一个超伙伴叫做超电子，光子的超伙伴叫做光微子等等。弦理论和超伙伴的假想一结合，立即发挥出巨大的威力，就好像脱去普通西装，露出内裤外穿的超人本尊。从此，弦理论升级为超弦理论。超弦理论认为，任何基本粒子都不是一个点，而是一根闭合的弦，当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子。我们这个宇宙是一个十维的宇宙，但是有六个维度紧紧蜷缩了起来。就像远远地看一根吸管，它细得就像一条一维的线，但是当我们凑近一看，发现它其实是一根三维的管，其中的二维卷起来了。那六个维度的空间收缩得如此之紧，以至于你必须要放大一亿亿亿亿多倍（1 后面 34 个零）才能发现，其实所有的粒子都不是一个点，而是一个六维的“橡皮筋圈”，不停地在空间中振动，演奏着曼妙的音乐。

通过引入额外的维度，超弦理论终于让物理学家将量子定律和引力定律打成相对简洁的一个包，但也仅仅是相对简洁一点儿而已。如果你听到一个物理学家唠叨这些东西，那种感觉就差不多像是你在某个公园中散步，刚在一条长凳上坐下，旁边的陌生人就开始对你喋喋不休地唠叨些你完全听不懂的东西，搞得你只能惴惴不安地默默走开。我这里有一个例子，是物理学家加来道雄（Michio Kaku）用超弦理论来解释宇宙结构的：

“杂弦由一种闭合的弦构成，有两种形式的振动：顺时针和逆时针。这两种形式完全不同。顺时针振动存在于 10 维空间中。而逆时针振动则存在于 26 维空间中，但其中的 16 个维度被压实了（我们知道，在卡鲁扎原先的 5 维理论中，第 5 维就被压实成了一个圈环）。”

他就像这样洋洋洒洒地写了 350 页，但我能完全看明白的页数实在不多。

第一次超弦革命爆发到现在，已经过去了二十多年，物理学界又有了很多很多的进展。例如从超弦理论中又派生出M理论，现在正热门。这个理论把十维的宇宙又扩展了一维，变成了十一维的宇宙（十个空间维加上一个时间维），而且还引入了另一个更加有趣的概念，那就是“膜”，塑料薄膜的那个膜。但是到了这个份上，要继续往下讲解，我觉得已经超出了科普的范畴。如果要强行科普，估计达到的效果也就是像《纽约时报》上的一段文字，它试图用尽可能简单的方式向普通人解释什么是M理论：

“在那遥远遥远的过去，宇宙的燃烧过程以一对又平又空的膜开始；它们互相平行地处于一个卷曲的5维空间里……两张膜构成了第 5 维的壁，很可能在更遥远的过去作为一个量子涨落产生于无，然后又飘散了”我想，没人会与之争论，因为没人能看懂。

现代物理学中的许多概念已经达到了这样一种程度，用戴维斯（Paul Davies）在《自然》杂志中写的话来说，“不是科学家就不可能区分出某种说法是一种合理的古怪还是一种彻底的疯言疯语。”到了 2002 年的秋天，有一对法国的双胞胎物理学家波格丹诺夫兄弟，在他们的脑子中又冒出了一个更为有意思的想法。他俩因此提出了一个很大胆的有关超密度条件下的理论，里面有一些概念，如“假想时间”、“库珀-施温格-马丁条件”据说描述了大爆炸之前的宇宙。这在过去一直被认为是永不可知的时期（因为它发生在所有物理定律诞生之前）。

波格丹诺夫的理论几乎是立即在物理学家中引起了争论，那它到底是一派胡言，还是一项天才的成就，或是一场伪科学的骗局呢？哥伦比亚大学的物理学家沃伊特（Peter Woit）接受《纽约时报》的采访时说：“从科学上来看，很明显是一派胡言。不过，说实话，它和最近我看到的许多别的文献也没有多大区别。”

波普尔（Karl Popper），这位被温伯格称之为“科学哲学家中的泰斗”，他的观点是，在物理学中不存在什么终极理论，因为，每一种理论解释都需要更进一步的解释，于是生出“一条永无穷尽的基本原理链”。但是霍金和温伯格这样的著名物理学家并不同意波普尔的观点，他们认为终极物理理论是存在的。霍金觉得人类就快找到了，而温伯格觉得它还在非常遥远的地方。

几乎可以肯定的是，在这个领域我们还会看到更多的非凡见解，但几乎可以再次肯定的是，这些见解会远超你我的理解能力。

正当 20 世纪中叶的物理学家们困惑不解地看着微观世界所发生的一切时，天文学家们也没好到哪儿去，他们正发现自己对宏观宇宙的认识也是很不完整的。

还记得我们前面提到的哈勃吗？他发现几乎所有可见的星系都在远离我们而去，并且退行速度与离我们的距离成正比：星系距离我们越远，退行速度越快。哈勃认为这个关系可以用一个简单的公式来表述：Ho=v/d（v 表示星系飞离我们的退行速度，d 表示星系与我们之间的距离）。Ho 就是著名的哈勃常数，而整个关系式被称之为哈勃定律。

让我来详细解释一下哈勃常数的用途。除了在日常交谈之中，天文学家一般不使用光年这个单位，他们更常使用的距离单位被称之为“秒差距”，这个单位来源于用恒星的周年视差法做天文测距，1 秒差距等于 3.26 光年。这实在是一个非常遥远的距离，但宇宙实在是更大，以至于常要用“百万秒差距”来说事。哈勃常数表示的就是每百万秒差距，速度为多少千米每秒。因此，当一个天文学家说哈勃常数是 50 时，完整的意思就是“每百万秒差距 50 千米每秒”，也就是说，如果一个星系距离我们 1 百万秒差距的话，它的退行速度就是 50 千米/秒。用公式表示的话，就是v/d=50(千米/秒)。所以，哈勃常数一旦确定，只要测出星系的距离就能代入公式算出退行速度，或者反过来测出退行速度就能算出距离。哈勃定律还有个附加用途，就是计算宇宙的年龄。根据哈勃常数的定义可知，它的倒数就是宇宙的年龄，单位是万亿年。

哈勃自己测出来的哈勃常数是 500，也就是说宇宙年龄是 20 亿年。这个结果有点儿尴尬，因为即使在上世纪 20 年代末，也有越来越多的证据表明宇宙中有很多东西的年龄都比这个数字大，甚至很可能包括我们自己的星球。于是，修正这个数字成了宇宙学家们一直以来冥思苦想的问题。

关于哈勃常数，唯一常年不变的事情就是对这个常数本身赋值的巨大争议。1956 年，天文学家发现，造父变星比过去以为的还要多变。它们有两种不同的类型，而不是仅有一种。这一发现让天文学家们重新计算了宇宙的年龄，最新的结果是宇宙大约在 70 亿到 200 亿年之间。虽然这个结果不是太精确，但是总算至少已经足够古老到把地球的形成过程给包含了进去。

在这之后，有关宇宙的年龄问题爆发了一场旷日持久的大争论。争论的一方是从哈勃手里接棒的威尔逊山天文台的桑德奇（Allan Sandage）。另一方是德州大学的法籍天文学家沃库勒（Gerard deVaucouleurs）。桑德奇经过数年的精心计算，得出哈勃常数的值是 50，他给出的宇宙年龄为 200 亿年。而沃库勒则确信哈勃常数的值是 100。这就意味着宇宙的年龄只有桑德奇认为的一半，也就是 100 亿年。到了 1994 年，情况变得更为复杂。加州卡内基天文台的一个研究小组根据哈勃太空望远镜获得的观测数据，计算出的宇宙年龄仅为区区的 80 亿年。这个数字连他们自己都认为甚至还不如宇宙中某些恒星的年龄古老。时间走到了 2003 年，美国马里兰戈达德太空飞行中心和 NASA 共同组成的一个研究小组，利用一颗叫“威尔金森微波各向异性探测器”的最新型卫星所获得的数据，信心十足地宣布宇宙的年龄是 137 亿年，误差仅为 1000 万年上下。后来，欧空局的普朗克卫星又上天了，这台卫星每两年会公布一次最新的观测数据，这被认为是目前有关宇宙年龄问题的最佳答案。目前最新数据是 2015 年发布的数据，表明宇宙的年龄是 138 亿年，误差大约是几百万年上下。但对于我们普通人来说，不管说 137 还是 138 都没有什么太大区别。总之，关于宇宙年龄的争论已经划上了句号。

但是，可以肯定的是，对于宇宙，我们依然有太多的不明白，甚至是在基本的层面上，即宇宙是什么东西构成的？当科学家们计算需要多少物质才能产生足够的引力让星系旋转时，他们发现物质的总量严重短缺。这表明，我们的宇宙至少有超过 90% 的成份是兹威基（Fritz Zwicky）所称的“暗物质”，即那种对我们不可见的物质。我们生活的这个宇宙中竟然绝大部分物质我们连看也看不见，这个想法让人觉得科学家们的脸皮有一点厚，但你我确实生活在其中。暗物质到底是什么？目前来看，至少有两个主要嫌犯引起了科学家们的兴趣。其中一个叫 WIMP（即弱相互作用大质量粒子，也就是大爆炸之后残留在宇宙中的不可见的微粒，也可以叫暗粒子）；另一个叫 MACHO（即大质量高致密晕天体，也就是黑洞、棕矮星以及其他暗弱恒星的统称，也可以叫他们暗天体）。

不出意外的是，粒子物理学家更倾向于暗粒子，而天文学家则更喜欢暗天体。一开始暗天体占了上风，但是没有观测到足够多的这类天体。于是，风向又转到暗粒子，可惜问题依然是至今找不到这类粒子。因为这类粒子几乎不与我们已知的任何物质发生相互作用，它们极难被检测到。如果想对暗物质有进一步的了解的话，推荐听我《星空的琴弦》系列中“暗物质”那一集和《环球科学有故事》系列中的“原初黑洞是暗物质吗？”这一集。后者对暗物质研究的最新进展有一些介绍。

在发现暗物质之后，我们又发现，星系不但在远离我们而去，而且是在加速远离我们。这个现象大大地出乎所有人的预料。这显示出我们的宇宙不仅仅充满了暗物质，还充满了暗能量。科学家们有时称之为真空能或第五元素。不管怎么叫，它正在驱使宇宙加速膨胀，没人能弄清楚到底是怎么回事。有种理论认为太空其实并不是真的空无一物，物质和反物质粒子瞬间凭空产生又湮灭，所产生的能量推动着宇宙加速扩张。令人意想不到的是，当初爱因斯坦在广义相对论中为了阻止宇宙膨胀而凭空创造然后又删去的宇宙学常数又复活了，现在看来方程式中必须要引入这样一个常数才能符合宇宙目前的加速膨胀状态。关于暗能量我也不展开讲了，想了解的可以听我《星空的琴弦》系列节目的“暗能量”那一期。

最后让我来总结一下这两期我想告诉你的事情：有关宇宙中最小的物质，也就是基本粒子，和宇宙中最宏大的物质，例如星系，人类对他们已经取得了令人惊讶的认识，但是我们真的不知道还有多少未知的东西等着我们去探索，或许已经不多，或许还仅仅只是冰山一角，我们真的不知道。但最令我们感到神奇的是，研究最微小的基本粒子与研究最宏大的宇宙学，这两条看似不同的道路似乎已经越来越近，很快就要合二为一了。这不得不令我感到万分的神奇。

好了，关于物理和天文我们就讲到这里，接下去我们该来谈谈我们的地球母亲了。

往期：

【时间的形状文字压缩版】

【时间的形状趣图版】

【仰望星空文字压缩版】

【无神论者调查】

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