科學證明宇宙是泡泡！

筆者按：用兩天時間讀完了霍金的《果殼中的宇宙》，很費腦力，因為要同時理解霍金所講的概念，構造抽象的比喻，還要與佛法的世界觀比對融合。如果沒有佛法的宇宙觀，讀這本書就真成了探索而消失了方向。我是一口氣讀下來的，沒有中斷下來思考，也沒有刻意的記錄什麼，現在來慢慢的整理一下：

有幾點啟發：

1、黑洞和全息技術（需要深入學習全息的知識），泡泡的邊界，四維的投影。

2、膜理論，膜膜之間可以傳遞引力，不可以傳遞光（物質、電力），因為沒有路徑。

3、四維之外的維度，可能很小（捲曲著），可能很大（水中的氣泡）。我覺得這本書的M理論，把宇宙的起源講明白了，就是沒有起源，因為一切粒子的不確定性。

4、時間的捲曲，虛時間對實時間的影響，沒看懂（需要學習），請高人指點。

5、粒子可分為正粒子（釋放的能量），與負粒子（減少的質量），E=mc2。

有幾點遺憾：

1、沒有涉及「延遲實驗」。

2、霍金對時間的概念不甚清楚，或是我沒看懂。我覺得：時間只是度量物體（光）相對運動的過程。時空彎曲只是光的路徑發生了變化。若要回到過去或是未來，必須先和這個世界分開再回來，即改變自己和這個世界的相對運動方式，o(∩_∩)o...想不明白，請高人指點。

3、霍金對物理世界的造詣很深，但是對生命科學並不了解，沒有能將腦科學與量子力學的原理相結合，還是認為化學作用在支配著意識，可參考：腦科學的里程碑：用量子力學建立意識、腦與身體的模型

下面是這本書相關的科普讀物，我看比原書講的明白，o(∩_∩)o...哈哈！

輪椅中的霍金與果殼中的宇宙

　　愛因斯坦注意到，德國數學家卡盧扎1919年曾證明了有一系列方程能把廣義相對論與電磁理論統一起來，但宇宙需要5維時空。宇宙這額外的一維哪裡來呢？他還注意到瑞典數學家克萊因在1926年曾提出一種觀點，認為宇宙的那個額外維捲曲得太小，我們無法察覺到。愛因斯坦雖然覺得卡盧扎和克萊因的發現很重要，但在用於他的統一場理論時，總有一些零星問題不能解決，或者會得到一些滑稽的結果。　　在愛因斯坦還沒有將引力和電磁力統一起來的時候，人們又發現了將原子核中質子和中子束縛在一起的強核力和弱核力。更糟的是，這兩種基本力是由信使子傳遞的，這與愛因斯坦對引力的看法大相徑庭。　　1955年愛因斯坦逝世後，他的統一場理論很少有人問津。人們將注意力轉向了電磁力與弱核力的統一——量子場理論。　　20世紀60年代末，美國的溫伯格和格拉肖、英國的薩拉姆找到了電磁力與弱核力統一的方程。電磁力和弱核力是統一的電弱力的不同方面。隨後，他們的理論得到了證實。　　1973年，格拉肖發現了把電磁力、弱核力與強核力統一起來的數學公式，這就是「大統一場理論」。電磁力、弱核力和強核力是統一的「超力」的不同方面。超力在宇宙大爆炸後分裂成電磁力、弱核力和強核力。但大統一場理論不包括引力。

為了統一電磁理論、狹義相對論和量子理論，狄拉克等人早在20世紀20年代就建立了量子場論。但量子場論也不包括引力。為彌補這個不足，科學家們又建立了量子引力論，就是把廣義相對論與量子理論統一起來。1967年，惠勒和德威特找到一個數學公式，成功地將廣義相對論與量子理論結合起來了。但是，在這些嘗試中，他們像愛因斯坦一樣遇到數學問題，其中包括無窮大的問題。　　20世紀70年代初發現的「超對稱理論」，又使科學家找到了把構成物質的粒子（費米子）與攜帶力的粒子（玻色子）統一起來的數學特性，即消除了亞原子粒子的差別，提供了把引力統一進來的線索。這就是「超引力理論」。　　1984年，約翰·施瓦茨和邁克爾·格林提出了「超弦理論」，指出把引力與其它力統一起來的唯一條件是，把粒子看成是弦，它們必須擁有超對稱（超弦），並且存在於10維時空中。不過，超弦理論仍然沒有反映全部情況，而且超弦理論有5種之多。　　在基本粒子物理學、量子力學取得了巨大成就的時候，霍金於1988年在他的暢銷書《時間簡史》中說，「可以謹慎樂觀地說，我們對自然的終極規律的探索，現在也許接近了尾聲。」　　1996年，威滕提出M理論，認為5種超弦理論只是M理論的不同側面。如果超弦代表膜，則5種超弦理論僅僅是11維膜的邊緣。因此，霍金認為，M理論有可能成為人們追求的終極理論。　　　　M理論　　1985年以後，物理學家開始意識到，弦理論中的「弦」，只不過是延展成多於1維的眾多物族的一員。　　1994年以後，物理學家又知道一種描寫強相互作用的閉弦理論與描寫弱相互作用的開弦理論完全相同。對開弦理論的深入研究，特別集中於弦的邊緣（即開弦的兩個端點）可運動的空間。理論物理學家倫內特·赫伊斯佐恩在對這些邊緣空間進行數學研究時，根據數學家狄利克雷的名字，將這些空間命名為「D-膜」。英國劍橋的數學和理論物理學家保羅·湯森對膜作了許多基本研究。他把由弦延展成多於1維的物體叫做「P-膜」（P表示維數）。一個P膜在P方向上有長度。這樣，P=0的膜是點，P=1的膜就是弦，P=2的膜就是面，如此等等。而且，所有P-膜都是平等的。1996年，愛·威滕等人又發現，5種弦理論假設，實際上只是從不同側面表述同一基本的11維假設。

在把眾多的假設彙集成一種假設的過程中，物理學家意識到，他們的方程所描述的宇宙，不僅是由弦，而且是由薄膜狀的東西組成的。這種薄膜狀的東西就是「P-膜」。由此便產生了「M理論」（含有「所有理論之母」的意思）。M理論認為，一維的弦可延展為2維的面，即「膜」；二維的膜則可捲曲成3維的圓環膜，乃至11維空間交錯的膜。膜可以因量子起伏而自發地創生和消失。我們就生活在D-膜的邊緣上，即四維時空的表面（即膜）上。我們的四維時空，可能僅僅是真實宇宙的很小一部分，它是一個圍繞著多維時空的泡泡。劍橋大學的尼爾·圖洛克等人認為，不同膜之間的碰撞，有可能引發像我們宇宙誕生時的大爆炸那樣的爆炸。　　 　　

　　 既然M理論認為宇宙是11維的，但為什麼除了4 維時空外，我們沒有感覺到其他維的存在？M理論認為，那是因為我們處在低能的狀態下，電子和其它粒子只能在大維中運動，因而使我們感覺不到捲曲得很小很小的7個額外維，也就無法領略整個10維空間的風光。如果用具有極高能量的粒子進行探測，就會看到宇宙具有11維時空，就像肉眼看頭髮只是一條一維的線，而用高倍放大鏡觀察則能看到它的3維結構一樣。在宇宙誕生早期的高溫高能狀態下，宇宙正是11維的，隨著溫度（能量）的下降，額外的7維才捲曲起來。霍金相信，大型強子對撞機有可能觀察到捲曲得很小的額外維。 　　在M理論中，有人認為，我們的宇宙除了三個大的空間維以外，還可能有一個或更多的大的空間維，只是由於它們相當大，甚至無限大，在目前的條件下我們無法觀察到它們罷了。　　霍金認為，這個思想具有巨大的優勢，是我們尋找終極理論（或模型）的激動人心的新進展。為此，他在2001年將全息論、宇宙多重歷史理論和人擇原理等結合起來，提出果殼中的宇宙理論。這是不是宇宙終極理論呢？　　2004年，霍金的思想來了個大轉彎，宣布放棄終極理論，認為探索終極理論是徒勞無益的。當然，他並沒有放棄果殼中的宇宙理論。　　 　　　下面，舉例說明《果殼中的宇宙》對宇宙難題的描述。　　宇宙的起源和膨脹。我們知道，在燒沸的水中會產生氣泡。膜的量子創生有點像氣泡在沸水中創生。這就是，不確定性原理允許膜世界作為泡泡從無中出現，膜形成泡泡的表面，內部則是高維空間。小泡泡傾向於再坍縮為無，兩個泡泡可能因為碰撞而合併，宇宙大爆炸或許就是兩個泡泡之間碰撞造成的。我們就生活在四維時空的泡泡上（宇宙的邊緣上）。一個超過某一臨界尺度的泡泡會繼續長大，生活在膜上的智慧生命（如地球人類）就會覺察到星系在相互離開，宇宙在膨脹，而沒有任何星系是膨脹的中心。　　 　　　　在我們膜世界中的一個黑洞會延展到額外維中去。如果黑洞很小，它就幾乎是球形的。但是在膜上的巨大黑洞會在額外維中延展成一個餅狀的黑洞。　　　　在這裡，有膜和泡泡兩種模型，它們都是描述觀測的數學模型。到底是使用膜還是使用泡泡，就看哪個更方便。

　　果殼宇宙。根據宇宙無邊界的設想，宇宙在虛時間中的歷史像一個果殼。如果宇宙是4維時空構成的，則果殼中是空的。根據M理論，則果殼中被捲曲得很小的6或7維充滿，我們生活在4維泡泡的表面上；如果有額外的大維，則只有5或6維被捲曲在果殼中，我們就生活在5維泡泡的表面上。

　　人擇原理與果殼宇宙。由於物質、電力等非引力的東西被限制在膜上而不能散發出去，這正是原子得以穩定的條件。原子穩定才能使星系和生命得以形成。人擇原理說，宇宙必須適合於智慧生命，如果原子不穩定，我們便不能在此觀察宇宙，並詰問它為何顯得是4維的。　　 　　　　在膜世界場景中，由於引力傳播入額外的維，行星可以圍繞在影子膜上的暗質量公轉　　　　一個在虛時間中表面完全光滑的果殼是泡泡最可能的歷史，但是它在實時間中對應於以暴漲形式永遠膨脹的膜（泡泡的表面），星系不能在這樣的表面上形成，就不可能有智慧生命發展。而在虛時間中不那麼光滑的果殼歷史，雖然概率稍低，但它在實時間中對應的泡泡歷史，首先有一個加速暴漲的相，然後緩慢下來。在這個減速過程中，星系能夠形成，智慧生命能夠發展。稍稍長毛的果殼宇宙，正是智慧生命從M理論允許的大量的宇宙中選擇出來的膜模型。

　　暗物質和影子人類。M理論認為，引力可以從膜上瀰漫出去。這樣，如果在鄰近我們膜世界有一張額外的大膜，則它能防止引力向遠處發散。這張鄰近的額外大膜就是我們的「影子膜」（影子世界）。由於引力可以傳播到影子膜上去，所以那裡的恆星可以圍繞影子星系中心公轉、行星可以圍繞暗質量公轉。由於光被限制在膜上，所以我們看不到影子世界。但是，我們可以感覺到影子膜上物質的引力影響。這種引力影響在我們膜上真正是「暗的」。這或許就是我們宇宙中丟失的暗物質？在影子世界中或許還有影子人類，他們在解釋恆星繞影子星系中心公轉和行星繞暗質量公轉時，也很想知道他們宇宙中下落不明的物質。　　 　　

　　全息學　　全息學把一個空間區域的信息編碼到一個低一維的面上。一個黑洞的事件視界的面積是它的內部狀態數的測度這一事實顯示，全息原理似乎是引力的一個性質。在膜世界模型中，全息學是在我們四維世界的態和高維的態之間的一一對應。從實證主義的觀點看，人們不能區分何種描述更為基本。　　　　能量守恆。根據M理論，膜上的運動物體產生的引力波可以從膜上瀰漫出去。如果存在一張影子膜，引力波就會在我們膜和影子膜之間來回反射。但是，如果影子膜是高度彎曲的（如馬鞍型），就不能將引力完全反射回來，特別是波長比其曲率半徑短的引力波會完全逃逸出去。由於引力波會帶走能量，這僅從我們膜來看，是違反能量守恆定律的，但從多維世界來看，只不過是能量發散得更開而已。

　　黑洞輻射和消亡。黑洞發射的引力波會傳播到額外維上去，並在我們維與額外維之間來回反射。因而，我們膜上的一個黑洞會延展成額外維上的一個黑洞。如果黑洞很小，則額外維上的黑洞是球形的，如果是巨型黑洞，則額外維的黑洞是餅狀的。黑洞由於引力輻射而損失能量，它因此會慢慢蒸發，尺寸縮小。當它比馬鞍型額外維的曲率半徑還小時，它的引力波就會自由地逃逸而不再返回，在我們膜上就無法直接觀測到黑洞的輻射，只有通過黑洞的質量損失間接地測量到。也許這正是我們迄今沒有觀測到黑洞激烈消亡時產生的伽瑪射線的原因。

　　黑洞的熵和全息界。熵本來是熱力學中的概念，表示一個物理系統的無序程度。1948年美國應用數學家香農在設法量化一條消息所包含的信息量時，得出了一條與玻爾茲曼熱力學熵類似的公式，於是便把熵的概念引進資訊理論。一條消息的熵，就是編碼這條消息所需二進位位（即比特）的個數。黑洞的熵是黑洞內部狀態（質量、旋轉和電荷）數目的度量。1974年，霍金髮現一個計算黑洞熵的簡單公式，即黑洞的熵等於黑洞視界的面積。這說明，熵是一個系統中的總信息的測度。這就暗示，與三維世界中的所有現象相關聯的信息，能被存儲在它的二維邊界上。這就是「全息原理」。

　　物理系統所能容納信息量的界限叫「全息界」。

　　宇宙是幅全息圖。我們都知道全息照相，它可以把3維圖像記錄在2維的膠片上，描述3維圖景的所有信息，都被編碼到2維膠片的明暗相間的圖樣上。以適當方式放映這些膠片，我們就可以看到3維圖像。從M理論的觀點來看，宇宙也是一幅全息圖。　　如果宇宙是由4維時空組成的，我們就生活在4維時空泡泡上。根據M理論，4維時空很可能就是5維時空（其餘空間維捲曲得很小）宇宙的邊緣。根據全息原理，在我們生活的膜（泡泡）上，應該負載著5維時空內發生的一切信息的密碼。那麼，應用適當技術，我們就可以了解多維宇宙的情況。　　根據全息原理，5維時空宇宙就是一幅畫在其4維邊界上的全息圖像，4維時空的態與5維時空的態一一對應，兩個宇宙是完全等效的。因此，生活在這些宇宙中的生物，將無法確定他們是棲息在一個由弦理論描述的5維時空中，還是生活在一個由量子場論描述的4維時空中。但是，由於全息等價，使得一個在某一時空中難以計算的問題，可以用另一種方式解決，如，4維時空中夸克和膠子特性的計算，可以轉化為高度對稱的5維時空中的簡易計算。　　這些描述如果準確的話，它就是果殼中的宇宙的一幅側影。http://www.skylook.org/info/info/info_1794_2.html

　「果殼中的宇宙」典出莎士比亞的《哈姆雷特》。哈姆雷特在劇中吟唱道：即便把他關在果殼中，他仍然是無限空間之王。藝術和科學是息息相通的，莎翁和霍金本就是他們各自領域中的無限空間之王。宇宙學家霍金認為，整個宇宙是由一個高維果殼狀的泡泡演化而來的，果殼上的皺紋（即量子擾動）在演化中產生了今天宇宙的所有結構。

　　30多年來，世界上一批天才的頭腦創建了一門叫做「弦論」的學科，其最新版本叫做M理論。弦論能解釋所有已知的自然力（強力、弱力、電磁力和引力），所以它又被稱為萬物理論。弦是一種高維空間（霍金認為維數應是10維或11維）中的1維客體，弦的概念可以進一步推廣到p胚，後者是高維空間的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。物理學家為此創造了一個新詞brane，儘管這個詞已被使用了十多年，目前似乎尚未被牛津詞典收入，在我國的一些學術文章中將它譯為「胚」。當p等於零時，胚就是點粒子；當p等於1時，胚就是弦；當p等於2時，胚就是膜（menbrane）；而在一般情況下，就稱為胚，即高維的「膜」。

　　人們常說，弦論是一門21世紀的數學，卻不幸地早產於20世紀。所以，雖然人們已經討論了弦論的許多性質，更知道它是一個真正了不起的理論，但要把弦論講清楚實在不容易。弦論的基本假設是：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。弦論假設只存在一種弦，而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。

　　在研究的過程中，存在著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，空間和時間以普朗克尺度為基本單位。普朗克尺度可以根據已知的基本原理來建立，普朗克長度為10－33厘米，普朗克時間為10－43秒。

　　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，存在著兩種可能的解釋：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，它蘊涵著我們生活在一個胚世界中，一個在高維時空中的4維『面』或『膜』」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。比如，支配構成人體的物理定律是描寫電磁力的量子電動力學，所以胚世界的存在，並不會影響到人體的構造。與此相反，引力則會彌散到整個高維空間中去。也就是說，引力隨距離的減少可能比以往的估計更快。

　　如果引力的這種更快速減小可延伸至天文距離，就應該在行星軌道上覺察到這一效應。這樣，行星軌道會是不穩定的：行星要麼掉到太陽中去，要麼逃逸到寒冷黑暗的星際空間中去。然而，若該額外維在離人類生活其上的胚不遠的另一胚處終結的話，這種效應就不會發生。那麼，對於超過兩個胚相分離的距離，引力就會如上述像電磁力那樣，不能自由地發散開去，而被有效地局限在胚上，並且減小的速率剛好適合於行星軌道。在實驗室中精確地測量物體之間萬有引力是一件十分艱難的工作，實驗尚未探測出當胚的分離小於幾毫米時它的效應。儘管理論家預言，在距離短於胚之間的分離距離時，引力會下降得更快速。但是實驗研究者迄今缺少有效的手段進行測量，一旦在更短距離下的測量成功，就能鑒別人類所在的胚世界究竟是這樣的，還是那樣的。

　　為了解釋恆星繞著銀心轉動的速度，就必須假設存在著暗物質。恆星繞銀心作緩慢的轉動，大約2億多年轉動一周。銀河系的形狀像一個盤子，銀心附近聚集著大量的恆星，銀盤裡包含了更多的氣體、塵埃以及一些恆星。如果套用開普勒定律，銀盤外部的恆星的運動速度應當比靠近銀心的轉得慢，但是觀測結果並非如此，整個銀盤內恆星的運動速度大致相同。所以，天文學家認為銀河系中存在大量暗物質，它們中的大部分分布在銀盤的外圍，從而加快了這部分區域內恆星的運動速度。對星系團內全部星系運動狀況的研究也得出相同結論。

　　對宇宙更大尺度結構的仔細研究也表明可能存在著暗物質。這種結構是以星系團和超星系團集結在一起的方式出現的。進一步考慮到宇宙年齡在1秒到3分鐘之間的核反應及其宇宙輕元素的丰度，暗物質必須以不參與核反應的形式存在。這就意味著暗物質應以中微子或類似於中微子（軸子、有質量弱相互作用粒子等）的形式出現，它們不帶電荷因而不受電磁力、強力的影響。

　　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。檢測「影子」胚的僅有辦法是通過引力的途徑。

　　霍金說，弦、膜和胚「與宇宙中任何其他東西一樣，都會有量子起伏。」這些量子起伏就使得胚這樣一類客體會自發地創生和消失。這個過程很有一點像沸騰的水中蒸汽泡形成的過程。量子力學中的海森伯不確定性原理導致了胚從泡泡中創生。如果這個4維泡泡繼續長大，那麼生活在這個泡泡上的人就會感到宇宙正在膨脹。

　　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。

　　依照霍金的理論，胚在虛時間的歷史將決定它在實時間的發展。高維泡泡在虛時間中產生一個完全光滑的球形的4維「果殼」的概率是最高的；然而，這又對應於在實時間內以暴脹方式永遠膨脹的胚。星系不能在這種胚世界中形成，從而智慧生命也不會出現。然而，高維泡泡在虛時間中產生一個有點不光滑和偏離球形的4維「果殼」的概率雖然稍低一些，但是卻能與實時間中的減速暴脹過程（胚在開始時有一個加速膨脹——暴脹的相，隨後膨脹又緩慢下來）相對應。在這個減速暴脹過程中，星系可能形成，智慧生命也會出現。有趣的是，這些智慧生命將會創造一種宇宙理論，認識到他們來自於不那麼光滑，也不那麼圓的4維「膜」。

　　隨著霍金那根神奇的手指，遊歷了神奇的果殼中的宇宙之後，會有什麼感想？果真每個人都是來自於神奇果殼中的生靈?!