在探索宇宙奥秘的征途上,学者们众说纷纭,提出了种种理论。比如,有的学者提出,宇宙不是由一般的粒子所构成,而由一种叫做弦的物质在空间中运动所组成。
这一学说,即超弦理论,认为宇宙中并不存在传统意义上的粒子,我们所见到的种种不同粒子,其实只是弦的不同震动模式的体现。宇宙中的所有互动,所有物质与能量,皆可透过弦的分裂与结合来诠释。
更令人称奇的是,弦并非在传统的三维空间中活动,而是在超越我们想象的高维空间中游走。传统对于空间的认知,再次被颠覆,空间展现出前所未见的活跃景象。但如此高维度、高能、高温的空间极不稳定,如同过度膨胀的气球,最终导致了大爆炸。在爆炸之后,维度被分解,能量逸散,温度下降。三维的空间和一维的时间得以无限伸展,构建了我们所感知的宇宙;其他六个维度则蜷缩在普朗克尺度内,也就是10的负33次方厘米以下。
当宇宙温度高达10的32次方K,比太阳温度高出10的26次方倍时,引力开始与其他三种力分离,随着宇宙的膨胀,引力逐渐演变成长程力。宇宙继续膨胀并冷却,其他三种力也开始瓦解,强相互作用力和弱电力相互剥离。
在宇宙诞生10的负9次方秒后,温度降至10的15次方K,弱电力也分裂为电磁力和弱相互作用力。此时,所有四种力均已分离,宇宙成了由自由夸克、轻子和光子构成的“汤”。随着宇宙进一步冷却,夸克结合为质子和中子,它们最终形成原子核。在宇宙诞生3分钟后,稳定的原子核开始出现。
大爆炸发生30万年后,最早的原子形成,宇宙温度降至3000K。此时,氢原子可以结合而不会因撞击而破裂。宇宙变得透明,光得以传播长距离而不被吸收。
在大爆炸发生100至200亿年后的今日,我们看到了一个不对称的宇宙,四力之间存在巨大差异。原本的火球,其温度已经降至接近绝对零度的3K。
这便是宇宙的进化过程。随着宇宙逐渐冷却,各种力量开始解脱束缚,逐渐分离。首先,引力分裂,随后是强相互作用力,再之后是弱力,最后只剩下电磁力未被破坏。
然后,我们转到爱因斯坦的广义相对论,这是一个关于引力的理论。正如我们先前提到的,引力源自物体间的相互吸引,物体的质量越大,引力就越强。但为何物体的质量会产生引力呢?引力为何微弱却能作用于宏观世界?例如,两个人或两块石头间的引力几乎为零,但在太阳、地球、月亮等宇宙天体间,引力作用却十分明显。
爱因斯坦解答了这一谜题。他提出,空间本身具有形状,在没有物质或能量存在时,空间是平直的。但当一个质量极大的物体进入空间时,平直的空间便会发生弯曲。这就如同床单上的保龄球,地球绕太阳运行,是因为地球沿着太阳周围弯曲空间的“沟槽”滚动,这也就是我们所说的太阳对地球的引力。由于人和石头的质量小,它们引起的空间弯曲几乎为零,因此引力作用微乎其微。
广义相对论将引力转化成了优美的几何图形,引力似乎并不存在,只是空间的几何形变所产生的效果。广义相对论似乎完美地解释了引力的本质。
然而,空间的几何形变无法解释其他三种力——电磁力、强力和弱力。这些力似乎无法通过空间的弯曲实现。爱因斯坦曾设想,所有物质均由空间的扭结和振动形成。如果这个想法成立,那么我们周围的一切——从树木到云朵,再到天上的星星,都可能是空间褶皱的幻觉。如果四种力都与引力一样源自空间的几何形变,那么四种力将统一于空间弯曲的几何学中。但微观世界并非平滑,而是由无数粒子不停地喧嚣构成,广义相对论的核心原理——平滑的空间几何概念,在这里遭遇了挑战。
于是,需要量子理论来解释其他三种力。量子理论研究微观世界的基本粒子,它认为宇宙中的所有物质都由数百种基本粒子构成,这些粒子的质量极小,运动轨迹无常。量子理论认为,力是由粒子交换产生的:电磁力由光子交换产生,弱力由弱规范玻色子交换产生,强力由胶子交换产生。例如,两个带电粒子间的相互作用,实际上是光子在两个粒子间“往来”的结果。其他两种力的相互作用也是如此。
然而,基于空间弯曲的引力却无法通过粒子交换产生,且在微观世界中,粒子质量微小,运动无常,它们间的引力何从谈起?量子理论无法涵盖引力。
广义相对论和量子理论的不兼容,成为现代物理学的核心难题。人们很难相信,在宇宙的微观和宏观层面,竟然存在两个不同的理论。为了使两者相容,物理学家们进行了大量的努力,他们通过修正广义相对论或量子理论,试图找到答案,但多数尝试都以失败告终。
最终,还是超弦理论来了,虽然目前还无法证实,但给科学家们带来了希望!