我們所處的世界是相互碰撞的宇宙衍生出來的嗎？

相互碰撞的宇宙

現在就把M-理論應用到嚴肅的宇宙學可能有點為時過早。然而，物理學 家已經嘗試應用這一新的「膜物理學（hrane physics) 」，以便在宇宙研究中通常 採用的膨脹方法中加進新意（make a new twist)。有三種可能的宇宙學引起人們

注意。

第一種宇宙學試圖回答這樣的問題：為什麼我們生活在四維時空中？原則 上，M-理論在11個維度以下都可以成立，所以，為什麼單單是四個維度，似乎是 件神秘莫測的事。羅伯特?布蘭登伯格（R()l)ert Brandenberger)和庫姆蘭?瓦法 (Cumrun Vafa)猜測，這也許是由弦的幾何特性造成的。

在他們設定的場景中，宇宙是以完美的對稱起始的，所有較高維度都在普朗 克尺度上緊緊地捲起o阻止宇宙擴張的是一個環套又一個環套的弦，緊緊地纏 繞在各個維度周圍。想像一個壓緊的彈簧圈被弦緊緊地纏繞著不能張開。如果 弦綳斷了，彈簧圈會突然彈開擴張。

在這些微小的維度中，由於既有弦的纏繞，又有反弦的纏繞（大體上來說， 反弦與弦的纏繞方向相反），所以宇宙被阻止擴張。如果弦和反弦相撞，它們就 會消失掉，就像解開了一個結，結就不復存在了一樣。在非常大的維度中，「地 方」要大得多，弦和反弦很少能碰撞到，也從來不能解開。然而，布蘭登伯格 (Brandenberger)和瓦法（Vafa)顯示，在三個以下的空間維度中，弦與反弦碰撞的 可能性就比較大了。一旦發生這種碰撞，弦就解開了，這些維度就迅速向四外彈 開，形成了大爆炸。這幅圖景的引人入勝之處，在於弦的拓撲學特性大致解釋了 為什麼我們能夠看到我們周圍熟悉的四維時空。更高維度的宇宙是可能的，但 不大可能被看到，因為它們仍被弦和反弦緊緊地包裹著。

但是M -理論中也還有其他的可能性。如果宇宙可以互相擠壓，或從一個 中爆出另一個，產生出新的宇宙，那麼說不定相反的過程也有可能發生;若干宇 宙可以碰撞，其間產生出火花，繁衍出新的宇宙。在這種情況下，大爆炸的出現 也許是因為兩個平行的膜宇宙之間發生了碰撞，而不是孕育出了一個宇宙。

這第二個理論是由普林斯頓大學的保羅?施泰因哈特（Paul Steinhardt)、賓 夕法尼亞大學的伯特?歐弗魯特（Burt Ovmt)和劍橋大學的尼爾?杜洛克（Neil Turok)提出的，他們創立了 「火劫（ekpyrotic)」宇宙（希臘文ekpyrotic的意思是 「大火災」）學說，以便包容M-膜圖景中的新特性，其中，有些額外的維度可以很 大，甚至無窮大。他們從兩個平坦的、同樣性質的，而且是平行的三位膜著手，它 們代表一種最低能量狀態。起初它們是空寂寒冷的宇宙，但引力逐漸把它們拉 到一起。最後它們發生碰撞，碰撞產生的巨大動能轉化為構成我們宇宙的物質 和輻射。有人把這叫做「大劈開（Wg splat)」理論，以區別於大爆炸理論，因為它 是由兩個膜的碰撞造成的。

碰撞的力量把兩個宇宙互相推開。隨著這兩個膜互相越離越遠，它們迅速 冷卻，形成我們今天看到的這個宇宙。冷卻和膨脹持續幾萬億年，直到宇宙的溫 度達到絕對零度，其密度在一百萬的四次方立方光年（1024立方光年。——譯者 注）的空間中只有一個電子。這樣，宇宙實際上就變成了一片空蕩死寂。但是 引力繼續吸引兩片膜，直至幾萬億年以後，它們再次相撞，這個循環周而復始。

這種新的描述能夠得出符合膨脹說的結果（例如均勻度和統一性等）。它 還解決了宇宙為什麼這麼平坦的問題——因為作為兩片膜，它們一開始就是平 坦的。這個模型還可以解釋穹界問題（horizon problem )，即，為什麼宇宙從一切 方向上看過去都是這樣驚人地均衡。這是因為膜已經經歷了很長的時間來逐漸 達到平衡。這樣，膨脹學說以宇宙猛然膨脹來說明穹界問題，而這個學說則以相 反的方式來說明穹界問題:宇宙是以慢動作達到平衡的。

(這同時也意味著，超空間中可能還懸浮著其他膜，將來可能會與我們這個 膜碰撞，造成另一次大劈開。由於我們的宇宙事實上正在加速膨脹，所以另一次 碰撞實際上是可能的。施泰因哈特補充說說不定宇宙膨脹加速正是這場碰 撞的前奏，這讓人想起來不寒而慄。」）

任何公然挑戰佔主流地位的膨脹學說的學說都註定會引起激烈的反響。事 實上，這篇論文放到網上不到一個星期，林德（Lirule)和他的妻子列娜塔?卡洛 什（Renata Kallosh，她本人就是個弦理論家）以及多倫多大學的列夫?霍夫曼 (Lev Kofman)就發表了對這一學說的批評文章。林德批判了這個模型，因為凡 是像兩個宇宙相撞的那樣的大災難，都可能造成一個奇異（singularity),其溫度 和密度都接近無窮。「那就好比有人向黑洞中扔進一把椅子，黑洞會把椅子的 粒子蒸發掉，而那人卻還說椅子的形狀依然存在一樣。」林德駁斥道。

施泰因哈特反駁說從四維空間看來好像奇異的東西，在五維空間未必仍 然奇異……當兩片膜擠到一起時，第五維度會暫時消失，但膜本身並不消失。所 以密度和溫度不會升至無窮，而時間依然持續。雖然這時廣義相對論已錯亂，但 弦理論不會。而且我們的模型中曾經看來像是災難性的東西，現在看來是可掌 控的。」

施泰因哈特所依仗的是M -理論的威力，眾所周知該理論可以消除奇異問 題。事實上，理論物理學家需要有量子引力理論的初衷，本來就是要消除一切超 位數（all infinities)。然而林德指出了這一學說中存在的一個概念上的弱點，即 膜從一開始就存在於一種平坦均衡的狀態之中。「如果你從理想狀態著手，你 也許確實能解釋眼前看到的現象……但你還是沒能解釋這個問題:宇宙為什麼 一定會在理想狀態中開始呢？」林德問道。施泰因哈特回答說平坦加平坦等 於平坦。」換句話說，你只能從一開始就把膜設想為處在最低能量狀態上，而在 這種狀態下它只能是平坦的。

艾倫?古思（Alan Giah)則保持了開放態度。「我想保羅（Paul)和尼爾 (Neil)還遠未能證明他們的學說。但他們的想法無疑值得一看。」他說。他反過 頭來又向弦理論家們發起進攻，要求他們解釋膨脹學說，「從長遠觀點來看，我 認為弦理論和M _理論不可避免地需要把膨脹學說納人進來，因為膨脹學說顯 而易見地回答了它所要解決的問題，也就是為什麼宇宙是如此均衡平坦的。」於 是他問了這樣一個問題:M _理論能夠推導出膨脹過程的標準圖景嗎？

最後，還有另一個參與角逐的宇宙理論，它運用的是弦理論。這就是加布里 爾?維內齊亞諾（Gabriele Veneziano)的「前大爆炸理論（pre-big bang theorty)", 維內齊亞諾就是幫助創立了弦理論的物理學家。根據他的理論，宇宙開始的時候實際是一個黑洞。如果我們想知道黑洞裡面是什麼樣子，我們只 須向外看即可。

根據這項理論，宇宙實際已經歷了無窮歲月，是在遙遠的過去以近乎空寂寒 冷的狀態開始的。引力作用開始在宇宙各處創造出物質的團塊，它們逐漸凝縮 成一些密度極大的區域，最終變成黑洞。每個黑洞開始形成事件穹界（event horizon)，把事件穹界的外部與事件穹界的內部永久分隔開。在每個事件穹界之 內，物質繼續在引力作用下收縮，直至黑洞最終達到普朗克長度。

這個時候，弦理論開始作用。普朗克長度是弦理論所允許的最小長度。這 時黑洞開始以巨大的爆炸力發生反彈，造成大爆炸。由於這一過程可能在宇宙 各處反覆出現，這意味著，在遙遠的地方還可能有其他的黑洞/宇宙。

(我們的宇宙可能是一個黑洞這一想法其實並不像它看起來的那樣離譜。 我們直覺上認為，黑洞一定有極高的密度，有巨大的、能把一切碾碎的引力場，但 實際並不總是這樣。黑洞事件穹界的大小是與黑洞的質量成比例的。黑洞的質 量越大，它的事件穹界就越大。但是，事件穹界越大，物質鋪開的體積就越大;結 果，隨著質量加大，密度實際會減小。事實上，如果一個黑洞的重量與我們的宇 宙一樣，它的體積就會與我們這一宇宙接近，而且它的密度會相當低，可與我們 的宇宙相比。）

然而一些天體物理學家對把弦理論和M-理論應用於宇宙學不以為然。位 於聖克魯茲（Santa Cruz)的加利福尼亞大學的喬爾?普利馬克（Joel Primack)就 不像其他人那樣客氣了 我認為在這件事情上大做文章很愚蠢……這些論文 中所提出的想法本質上是無法驗證的。」我們只有讓時間去評判普利馬克是不 是正確，但因為弦理論的進展步伐在加快，我們也許不久就會找到這一問題的確 切答案，它也許會由我們的人造衛星提供。在第9章我們將會看到，2020年之 前將送上外太空的新一代引力波探測器，像LISA(引力波探測器），將使我們得 以排除或者驗證其中一些理論。例如，如果膨脹理論是正確的，LISA應該能探 測到原始膨脹過程所產生的劇烈的引力波。然而「火劫宇宙（ekpyrotic universe)」學說預言宇宙之間的碰撞是緩慢發生的，因此引力波也會弱得多。 LISA應能從實驗的角度排除其中一項理論。換句話說，原始大爆炸產生的引力 波所包含的信息，將足以確定哪一種學說正確。LISA將能夠首次針對膨脹說、 弦理論和M -理論給出硬碰硬的實驗結果。

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