雙宇宙系

有人提出一種宇宙模型——“雙宇宙系”，用兩個宇宙並存的假設來解決為什麼反物質難以探測到和超弦理論的10維度時空不同於現實物理世界的4維時空的問題。並在解決這些問題的過程中逐步完善這個模型。

基本介紹

• 中文名：雙宇宙系
• 發現原因：現代高科技的迅猛發展
• 性質：一種宇宙模型
• 套用理論：超弦理論

概述

引言

奧妙的宇宙一直吸引著人類的目光。現代高科技的迅猛發展，使人類探索宇宙步伐產生了飛躍，但人類的視野仍未達到宇宙的邊緣。難道我們的宇宙真的是無邊無際和唯一的嗎？難道我們對宇宙的認識已達到了極限嗎？然而無論如何，具有無限求知慾的人類不會就此止步，我們的思維正在飛躍這個極限。

物理學背景

物理學於20世紀發生了質的飛躍，相對論和量子論的建立開啟了物理學研究的新紀元，隨之而來的重要發現也層出不窮，同時也帶來新的問題：如狹義相對論與量子理論的結合識人類認識到反物質（antimatter）的存在，但反物質為什麼難以探測；廣義相對論與量子場論的大統一理論——超弦理論（superstring theory）存在10維時空，而為什麼現實物理世界只有4維時空，等等。這些問題的解決將改變人們對宇宙的認識。

假設這樣一個宇宙的模型：宇宙是有界的，人類所處的宇宙外（至少）另有一個宇宙，兩個宇宙以不同的時空維度存在即運動著，並以一種奇特的方式相互作用著。類似於雙星系（binary system），將之命名為“雙宇宙系”(binary-cosmic system)。以此來解決上述問題。

反物質和“雙宇宙系”

反物質理論的提出和被證實

1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）創立了狹義相對論，其中包含一個重要結論：以速度v運動的粒子，它的總能量E可以表示為 ：

（1 式中c是光速，p是粒子的動量m0 v，m0是粒子的靜止質量。總能量E是指動能和內能之和。將式（2）兩邊開方，得總能量的解。

（2）表示兩個解：正的和負的。能量的正解是容易理解的。

理解

但怎么理解能量的負解呢？粒子具有負能量，和它具有負質量是等同的〔即式（2）中m0取負值時，E也取負值〕。那么負質量有意味著什麼呢？質量是慣性的量度，負質量是不是意味著加速度和作用力方向相反呢？如果是這樣，那么我們用力向前拉一輛負質量物質做成的小車，這小車就會向後退；而用力向後推，這小車就會向前進。這是不是太荒唐了？因此，當時的絕大多數物理學家都認為這個負能量解是荒謬的，只是數學形式的產物，不必予以考慮。

狄拉克方程

1928年，英國物理學家狄拉克（Paul A. M. Dirac）建立了相對論波動方程，即著名的狄拉克方程 ;

這個方程的能態解正是式（2）表示的結果。狄拉克堅信理性思維的成果，根據自然界的對稱性，簡單地摒棄負能態解是不完整的。他掙脫慣性思維的禁錮，提出一種新理論，認為負能態是存在的，但已充滿了電子。由於泡利不相容原理，正能態的電子不會落到負能態去；而負能態的電子海是不能被觀察到的。相反如果在負能態的電子海中出現一個能量為-E，動量為+p，螺旋度為+態的空缺，則能觀察到一個能量為+E，動量為-p，而螺旋度仍為+的帶正電荷的電子。這一理論稱為空穴理論[4] 。這從理論上預言了電子的反粒子——正電子( )的存在，從而開啟了人類探索反物質的步伐。

1932年，美國物理學家安德森（Carl D. Anderson）在宇宙射線里發現了正電子。正電子是反物質存在的第一個證據；1954年，美國物理學家張伯倫（Owen Chamberlain）和塞格雷（Emilio G. Segre）用加速器產生了反質子；1956年反中子被發現；1998年，歐洲核子研究中心（CERN）成功合成反氫原子。反物質的存在已成為一個不爭的事實。為了探測宇宙中可能存在的反物質，由丁肇中領導的國際科研小組於1998年將“阿爾法磁譜儀”送入太空。

反物質存在於另一個宇宙中

理論上講，世界上的一切都是相對稱的。皮埃爾·居里於1894年提出對稱性原理：對稱的原因必導致對稱的結果[5] 。據對稱性原理，有組成世界的物質，就應有與之相對的反物質存在，物質和反物質應是等量的。但今天反物質只能在宇宙射線和高能加速器中找到了。為什麼反物質這么少？科學家們試圖給予解釋，例如：宇宙開始之初，物質和反物質是成對產生的，但反物質比物質衰減更快。在宇宙大爆炸中，反物質急劇減少，最終形成了今天的狀況。但反物質如何憑空消失？研究已經得出，反物質和物質發生碰撞而彼此“湮滅”（並以光子的形式放出能量），這樣物質和反物質會同時減少，這種解釋極不嚴密。而當代最著名的理論物理學家霍金（Stephen Hawking）給予的解釋是：早期宇宙不服從T（時間）對稱。由於存在不服從T對稱的力，當宇宙膨脹時，相對於把電子變成反夸克，這種力更容易把反電子變成夸克。當宇宙冷卻下來，反夸克和夸克彼此湮滅，而少量過剩的夸克就留得下來，構成了我們的物質世界（反夸克和夸克是相對而言的，如果反夸克剩餘構成我們的世界，則我們會稱反夸克為夸克，而將現在意義上的夸克稱為反夸克）。但霍金也承認“此預言的不確定性”。

我們把大於巨觀的、超出一個宇宙範圍的世界稱為“宇觀世界”。我認為反物質和物質的量保持“宇觀”的對稱，即反物質大量存在於“雙宇宙系”中於我們的宇宙相對的“宇宙”里。把這個反物質組成的宇宙命名為“反宇宙”。

“雙宇宙系”的形成和發展可模擬的過程：

“雙宇宙系”形成和發展過程模擬

根據廣義相對論的預言，時空在大爆炸奇點處開始。宇宙生成之初，是一個真空的宇宙元（奇點）（圖1.a）。在最初的大爆炸中，巨大的能量使物質和反物質從 “真空”中同時誕生，宇宙也分裂成兩個宇宙元，一個包含著高密度的物質，另一個包含著等量的高密度的反物質，“雙宇宙系”初步形成（表示物質，—表示反物質）。

物質與反物質之間存在的“引力”，使兩個宇宙靠近並發生碰撞，在兩個宇宙的近距離運動中，反物質會“滲透”到宇宙中來，同樣物質也會“滲透”到反宇宙中去。但物質和反物質相遇又會發生“湮滅”，能量劇烈釋放，兩個宇宙再次發生大爆炸，並再次分離，宇宙處於一種循環爆炸的過程中，現在的大爆炸理論描述的只是其中的一個過程而已。在二者的相互作用中，我們就只能在宇宙射線中艱難地捕捉到少量“倖存”的反粒子。

超弦理論和“雙宇宙系”

超弦理論的建立

20世紀物理學的兩個最偉大成就是量子論和相對論。量子場論描述微觀世界的基本粒子及其相互作用；廣義相對論作為引力理論描述像星體、星系、黑洞及宇宙一類大尺度、巨質量的體系。理解一般物理系統要么利用量子場論，要么求助於廣義相對論，不會交叉的動用這兩個理論體系。但是的確存在一些極端的物理情景既涉及巨質量有牽連極小距離尺度，這類體系的正確理解必須建立在一個廣義相對論和量子場論相互協調的框架內，換句話說就是需要量子引力理論。典型的例子就是所謂的時空奇異問題（singularities），包括黑洞的中心點、大爆炸前的宇宙狀態等。不幸的是量子論與廣義相對論並不相互包容：廣義相對論的任何量子修正計算都無法得到有意義的物理結果，或者說廣義相對論是一個不能重整化的理論。問題的本質可以追溯為在普朗克尺度量子場論已經難以很好的描述粒子之間的相互作用。進而人類試圖找出一種能夠描述和解釋從微觀世界到巨觀世界各種現象的“萬物之理”，即所謂的“大統一理論（GUT）”。

最初為了解決量子論與廣義相對論兩大基本理論體系的不相容的問題，義大利科學家加布里埃萊·韋內齊亞諾於1968年提出一種嶄新的理論——弦理論(string theory)。弦論試圖用在普朗克尺度修改廣義相對論的辦法解決不相容問題。弦論的基本出發點是自然界的基本構成不是點粒子，而是尺度為普朗克長度大小的一維弦，弦的不同振動模式構成我們觀測到的粒子譜。這種物理圖像的基本變更使得引力和量子場論可以自然的融合在一起。

1980年代，曾一度受到冷落的弦理論作為大統一理論至今唯一的候選者終於贏得科學界的重視，並得以發展為“超弦理論”——兼顧超引力概念和超對稱性觀點的弦理論。超弦的量子理論沒有紫外發散，弦振動譜包含引力子（無質量，自旋為2的基本粒子）。因此可以說弦理論提供了一個包含引力與其他相互作用的有限量子理論。

但是超弦理論還存在不少亟待解決的問題。一個最基本的是，超弦理論是一個10維度時空而不是4維度物理時空的自恰理論。

弦論的10維度存在於“雙宇宙系”中

解決這個維度的差異問題，物理學家普遍採用的是時空緊緻化方法：取9個空間自由度中的6個為緊緻化小尺度空間，當緊緻化空間比今天高能加速器達到的尺度還小時，我們的世界就表現為3個空間自由度。形象的說，一根頭髮絲用肉眼看來，只有1維的長度，而經過高倍放大後就表現為具有長度和橫截面的3個維度。反之，把一個柱體充分縮小至肉眼看來只有一條線，它的橫截面的2個維度就消失了，這就是緊緻化過程。但這種解決方法受高能加速器條件的限制在目前尚未得以驗證。

而採用“雙宇宙系”模型，這個問題就可以迎刃而解。“雙宇宙系”能夠巧妙的占用弦論的9+1維時空，並達到“宇觀” 的對稱。首先，“雙宇宙系”中只有一個時間維度，兩個宇宙在同一時間維度上發展運動。其次，反宇宙與宇宙對應的各有3個空間維度，反宇宙中的空間尺度與宇宙中的空間尺度對稱，但它的存在方式不是今天的人類可以想像的。這樣兩個宇宙一共占據6個空間自由度（中坐標x, y, z和u, v, w；時空是彎曲的）。最後兩個宇宙之間又存在3維的空間運動，在這個“真空”的空間裡應該不會有時空彎曲。這3個維度連繫著兩個宇宙中的6個維度，以另外一種方式存在。這樣，超弦理論的9+1維時空就合理的分布在“雙宇宙系”中，而兩個宇宙也是因為維度的不同而區分開來。

宇宙的奧妙等待人類去探索

結論

“雙宇宙系”是一個由物質組成的宇宙和一個由反物質組成宇宙在相互聯繫的運動中構成的，達到“宇觀”對稱的系統，在這個系統中存在10個時空維度，並由維度的不同使兩個宇宙得以區分。而黑洞（black hole ），白洞（white hole）可能是兩個宇宙聯繫的視窗，蟲洞（worm hole）則是它們聯繫的通道。

進一步構想，“雙宇宙系”在宇宙外空間也不只唯一的。可以想像一個完全“真空”的空間裡存在著許多“成雙成對”的宇宙。這樣許多“雙宇宙系”又構成一個大大世界，空間和時間的概念又是無窮無盡、無始無終的了。宇宙將永遠吸引著人類的目光。