在九八年二月的‘美国科学’上,有一篇介绍M理论的文章。The theory of M: M stands for magic, mystery or member 。讲了统一场论的最新进展。一个粒子不但有电荷的相吸,还有磁场的相互作用。两者的统一构成引力。我们一直以为影响无限小的粒子的因素与影响着地球般大小的星球的因素是不同的。因为过去的所有理论难以用于同时解释粒子和星球的运动。也难以解释引力的形成。而M理论则正是一种正在形成的可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙的统一场地论学说。文章中说这个理论为近年来越来越多的实验所证实,可能是继相对论以来,本世纪最伟大的物理学理论之一。据说在超弦理论的研究中,发现十维空间还有理论漏洞,新的膜理论就再在超弦的线上展拓成超膜,以十一层空间来解释宇宙。而只有其中四维空间可为人类所感觉,其余的感觉不到的空间,就如声波和光谱一样,我们人类听不到超声波和也看不到红外线,却不因我们的不能察觉而就可认为根不存在。正是在更高的空间里,物体的电场和磁场相互作用形成万有引力。也只有引入更多的空间才可以解释为什么分子的结构有左旋和右旋的向性不同。 而宇宙的许多自然之谜如黑洞、超自然力、意志力、时空通道等,以更多空间的理论才有可能存在和解释。
我们迄今已经花费了三十年的心血来寻找这个理论,目前为止我们认为已经有了个候选者,称为M理论。事实上,M理论不是一个单独的理论,而是理论的一个网络,所有的理论事物都在物理上等效。这和科学的实证主义哲学相符合。 在这哲学中,理论只不过是一个数学模型,它描述并且整理观测。(Positivist Philosophy -- A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations)人们不能询问一个理论是否反映现实,因为我们没有独立于理论的方法来确定什么是实在的。甚至在我们四周,被认为显然是实在的物体,从实证主义的观点看,也不过是在我们头脑中建立的一个模型,用来解释我们视觉和感觉神经的信息。当人们把贝克莱主教的没有任何东西是实在的见解告诉约翰逊博士时,既然他用脚尖踢到一个石头并大声吼叫,那么我也就驳斥这种见解。 但是我们也许都和一台巨大的电脑模拟连在一起,当我们发出一个马达信号去把虚拟的脚摆动到一块虚拟的石头上去,它发出一个疼痛的信号。也许我们也就是外星人玩弄的电脑游戏中的一个角色。不再开玩笑了,关键在于我们能有几种不同的对于宇宙的描述,所有的这些理论都预言同样的观察。我们不能讲一种描述比另外一种描述更实在,只不过是对一种特定情形更方便而已。所以M理论网络中的所有理论都处于类似地位。没有一种理论可以声称比其余的更实在。 令人印象深刻的是,M理论网络中的许多理论的时空维数具有比我们经验到的四维更高。这些额外维数是实在的吗?我必须承认我曾经对额外维持迟疑的态度。但是,M理论网络配合得天衣无缝,并且具有这么多意想不到的对应关系,使我认为如果不去相信它,就如同上帝把化石放进岩石去误导达尔文去发现进化论一样。 在这些网络的某些理论中,时空具有十维,而在另一些中,具有十一维。这是如下事实的有一个迹象,即时空以及它的维不是绝对的独立于理论的量,而只不过是一个导出概念,它依赖于特殊的数学模型而定。那么对我们而言,时空显然是四维的,而在M理论是十维或者十一维的,这是怎么回事呢?为什么我们不能观察到另外的六或七维呢? 这个问题是传统的,也是迄今仍被普遍接受的答案是,额外维全部被卷曲到一个小尺度的空间中,余下四维几乎是平坦的。它就像人的一根头发,如果你从远处看它,它就显得像是一维的线。但是如果你在放大镜下看它,你就看到了它的粗细,头发的的确确是三维的。在时空的情形下,足够高倍数的放大镜应能揭示出弯卷的额外维数,如果它存在的话。事实上,我们可以利用大型粒子加速器产生的粒子把空间探测到非常短的距离,比如在日内瓦建造的大型强子碰撞机。至少,迄今我们还没有探测到超出四维的额外维的证据。如果这个图象是正确的,那么额外维就会被卷曲到比1厘米的一百亿亿分之一还小。 我刚才描述的是处理额外维的传统手段。它意味着我们有较大的机会探测到额外维的仅有之处是宇宙的极早期。然而最近有人提出更激进的设想,额外维中的一维或者二维尺度可以大的多,甚至可以是无限的。因为在粒子加速器中没有看到这些大的额外维,所以必须假定所有的物质粒子被局限在时空的一个膜或面上,而不能自由地通过大的额外维传播。光也必须被限制在膜上,否则的话,我们就已经探测到大的额外维,粒子之间的核力的情形也是如此。另一方面,引力是所有形式的能量或质量之间的普适的力。它不能被限制在膜上,相反地,它要渗透到整个空间。因为引力不仅能够耗散开,而且能够大量发散到额外维中去,那么它随距离的衰减应该比电力更厉害。电力是被限制在膜上的。然而我们从行星轨道的观测得知,太阳的万有引力拉力,随着行星离开太阳越远越下降,和电力随距离减小的方式相同。 这样,如果我们的确生活在一张膜上,就必须有某种原因说明为何引力不从膜往很远处散开,而是被限制在它的附近。一种可能性是额外维在第二张影子膜上终结,第二张膜离我们生活其中的膜不远。我们看不到这张影子膜,因为光只能沿着膜旅行,而不能穿过两膜之间的空间。然而我们可以感觉到影子膜上物体的引力。可能存在影子星系、影子恒星甚至影子人,他们的行正为感受到从我们膜上的物质来的引力而大大惊讶。对我们而言,这类影子物体呈现成暗物质,那是看不见的物质。但是其引力可以被感觉到。 事实上,我们在自身的星系中具有暗物质的证据。我们能看到的物质的总量不足以让引力把正在旋转的星系抓在一起。若不存在某种暗物质,该星系将会飞散开。类似地,我们在星系团中观测到的物质总量也不足以防止它们散开,这样又必须存在暗物质。当然,影子膜并不是暗物质的必要条件。暗物质也许不过是某种很难观测到的物质的形式,例如wimp(弱相互作用重粒子),或者褐矮星以及低质量恒星,后者从未热到足以使氢燃烧。 因为引力发散到我们的膜和影子膜之间的区域,在我们膜上的两个邻近物体间的万有引力随距离的下降会比电力更厉害,因为后者被局限于膜上。我们可能在实验室中,利用剑桥的卡文迪许爵士发明的仪器测量引力的短距离行为。迄今我们没有看到和电力的任何差异,这意味着膜之间距离不能超过一厘米。按照天文学的标准这是微小的,但是何其他额外维的上限相比是巨大的。正在进行短距离下引力的新测量,用以检测膜世界的概念。 另一种可能性是,额外维不在第二张膜上终结,额外维是无限的,但是正如马鞍面一样被高度弯曲。莉萨 朗达尔和拉曼 桑德鲁姆指出,这种曲率的作用和第二张膜相当类似。一张膜上的一个物体的引力影响,将不会在额外维中发散到无限去。正如在影子膜模型中,引力场长距离的衰减正好用以解释行星轨道和引力的实验室测量,但是在短距离下引力变化得更快速。然而在朗达尔-桑德鲁姆模型和影子膜模型之中存在一个重大的差别。物体受引力影响而运动,会产生引力波。引力波是以光速通过时空传播的曲率的涟漪。正如光的电磁波,引力波也必须携带能量,这是一个在对双脉冲星观测中被证实的预言。 如果我们的确生活在具有额外维的时空中的一张膜上,膜上的物体运动产生的引力波就会向其它维传播。如果还有第二张影子膜,它们就会反射回来,并且被束缚在两张膜之间。另一方面,如果只有单独的一张膜,而额外维无限的延伸,就像朗达尔-桑德鲁姆模型中那样,引力波会全部逃逸,从我们的膜世界把能量带走。这似乎违背了一个基本物理原则,即能量守恒定律。它是讲总能量维持不变。然而,只是因为我们对所发生事件的观点被限制在膜上,所以就显得定律被违反了。一个能看到额外维的天使就知道能量是常数,只不过更多的能量被发散出去。 只有短的引力波才能从膜逃逸,而仅有大量的短引力波的源似乎来自于黑洞。膜上的黑洞会延伸成在额外维中的黑洞。如果黑洞很小,它就几乎是圆的。也就是说它向额外维延伸的长度就和在膜上的尺度一样。另一方面,膜上的巨大黑洞将会延伸成"黑饼"。它被限制在膜的邻近,它在额外维中的厚度比在膜上的宽度小得多。 若干年以前,我发现了黑洞不是完全黑的:它们会发射出所有种类的粒子和辐射,它们就如热体一样。粒子和象光这样的辐射会沿着膜发射,因为物质和电力被限制在膜上。然而,黑洞也辐射引力波,这些引力波不被限制在膜上,也向额外维中传播。如果黑洞很大,并且是饼状的,引力波就会留在膜的附近,这意味着黑洞以四维时空中所预想的速度损失能量和质量。因此黑洞会缓慢地蒸发,尺度缩小,直至它变得足够小,使它辐射的引力波开始自由地逃逸到额外维中去。对于膜上的某人,黑洞就相当于在发散暗辐射,也就是膜上不能直接观察到的辐射,但是其存在可以从黑洞正在损失质量这一事实推出。这意味着从正在蒸发的黑洞来的最后辐射暴显得比它的实际更不激烈些,这也许是为什么我们还未观测到伽马线暴,后者由正在死亡的黑洞产生。 虽然还存在另