膜宇宙论

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超弦理论是一个试图统一自然界所有相互作用的理论,有时 超弦理論(圖二)-11維超引力M理論弦 候干脆被称为 Theory of Everything (TOE), 它的广度、 深度及雄心由此可见。 超弦理论对宇宙学的影响是多方面的,其中很重要的一个影响来源于它对时空维数的要求。 在超弦理论中, 时空的维数变成了十维而不再是四维的。 在这样的一幅时空图景中, 我们直接观测所及的看似广袤无边的宇宙不过是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜, 可怜的我们就世世代代生活在这样一层膜上, 我们的宇宙论也就变成了膜宇宙论。

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超弦理論(圖一)-TOE超弦的總來源超弦理論(圖一)-TOE超弦的總來源
膜宇宙论

超弦理论是一个试图统一自然界所有相互作用的理论,有时

超弦理論(圖二)-11維超引力M理論弦超弦理論(圖二)-11維超引力M理論弦

候干脆被称为 Theory of Everything (TOE), 它的广度、 深度及雄心由此可见。 超弦理论对宇宙学的影响是多方面的,其中很重要的一个影响来源于它对时空维数的要求。 在超弦理论中, 时空的维数变成了十维而不再是四维的。 在这样的一幅时空图景中, 我们直接观测所及的看似广袤无边的宇宙不过是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜, 可怜的我们就世世代代生活在这样一层膜上, 我们的宇宙论也就变成了膜宇宙论。

超弦理論(圖三)-M弦分化為五種弦超弦理論(圖三)-M弦分化為五種弦

 高维时空的观点并不是超弦理论所特有的,早在 1919 年, T. Kaluza 就把广义相对论推广到了五维时空, 试图由此建立一个描述引力与电磁相互作用的统一框架; 1926 年, O. Klein 发展了 Kaluza 的理论, 引进了紧致化 (Compactification) 的概念, 由此建立了所谓的 Kaluza-Klein 理论。 Kaluza-Klein 理论与膜宇宙论的主要差别在于: Kaluza-Klein 理论中的物质分布在所有的维度上, 而膜宇宙论中只有引力场、引力微子 (Gravitino) 场 (引力微子为引力子的超对称伙伴)、 Dilaton 场等少数与时空本身有密切关系的场分布在所有的维度上, 由标准模型描述的普通物质只分布在膜上。

超弦理論(圖四)-膜宇宙超弦理論(圖四)-膜宇宙

 

 

 

 不仅高维时空的观点不是超弦理论所特有的,就连这种认为由标准模型描述的物质只分布在膜上而不是象 Kaluza-Klein 理论假定的那样分布在整个高维时空中的观点也早在二十世纪八十年代初就有人从唯象理论的角度提出过了,与超弦理论无关。 但是象这样的一种观念, 只凭一些唯象的考虑是不足以成为现代宇宙论的基础的, 它本身必须有明确的理论依据。 这种理论依据随着超弦理论的发展渐渐地成为了可能。二十世纪九十年代中期, 在超弦理论中出现了著名的 “第二次超弦革命”, 存在于各种超弦理论之间的许多对偶性被发现, 在这些研究中物理学家们注意到了, 不仅各种超弦理论之间存在着密切的关联,超弦理论与 11 维超引力理论之间也存在一定的关联[注一]。 受此启发, 1995 到 1996 年间 E. Witten 提出了一种 11 维时空中的新理论,它以 11 维超引力理论为低能有效理论, 并且在特定的参数条件下能够再现物理学家们熟悉的所有五种不同类型的超弦理论。 从这个意义上讲, 这种新理论可以被认为是统一了各种类型的超弦理论。这一新理论被称为 M 理论。 在研究这种 11 维超引力理论及 M 理论时, 由于超弦理论中的规范场只存在于十维时空中, 因此很自然地出现了规范场只存在于 11 维时空中的超曲面上的观点, 这便是膜宇宙论思想在超弦理论中的出现, 最初是由 P. Horava 与 Witten 等人提出的。

超弦理论与膜宇宙论的出现让物理学家们的思路越出了四维时空的羁绊,为宇宙学常数问题的研究提供了一个全新的视角。 那么从这个全新的视角中我们能看到什么新的东西呢? 让我们来回顾一下前面试图运用超对称解决宇宙学常数问题的主要推理步骤:

超对称在 TeV 量级上破缺 → 宇宙学常数比观测值大 60 个数量级 → 宇宙半径在毫米量级

上述推理中, 对超对称破缺能标的估计来自于现有高能物理实验与理论的综合分析,显著调低该能标将与未能观测到超对称粒子这一基本实验事实相矛盾, 而调高该能标只会使宇宙学常数的计算值更大, 从而更偏离观测值; 从超对称破缺能标到宇宙学常数的计算依据的是量子场论;而从宇宙学常数到宇宙半径的计算依据的是广义相对论。 这些理论在上述计算所涉及的条件下都是适用的, 因此整个推理看上去并没有什么明显的漏洞。 但是从膜宇宙论的角度看,上述推理却隐含着一个很大的额外假定! 正所谓 “不识庐山真面目, 只缘身在此山中”。

这个额外假定出现在最后一步推理中。宇宙学常数与曲率之间的关联的确是广义相对论的要求, 但问题是: 我们谈论的究竟是哪一部分空间的曲率呢? 想到了这一点, 我们不难发现上述推理所隐含的额外假定就是:由宇宙学常数所导致的曲率出现在我们的观测宇宙中。 这原本不是问题, 因为长期以来, 在宇宙学中空间不言而喻就是指的我们观测到的三维空间, 任何曲率当然指的也就是这个三维空间的曲率。但是在膜宇宙论中空间共有九维之多, 情况就大不相同了, 假如由宇宙学常数所导致的曲率只出现在观测宇宙以外的维度中, 岂不就没有问题了吗? 要知道一个均匀的背景能量动量分布 - 即宇宙学常数 - 本身并不是问题, 由此而导致的可观测的曲率效应才是问题的真正所在[注二], 因此倘若由宇宙学常数所导致的曲率果真只出现在观测宇宙以外的维度中,宇宙学常数问题中最尖锐的部分 - 与观测之间的矛盾 - 也就冰消玉释了。

那么在膜宇宙论中由宇宙学常数所导致的曲率果真有可能只出现在观测宇宙以外的维度中吗?

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