空间的基本单位是弦?——《宇宙的琴弦》听书笔记

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1.物理学两大理论的冲突

广义相对论认为,空间是平滑的,宇宙就像是一张巨大的膜,可以无限伸缩。而量子力学认为,空间在微观层面是疯狂涨落的。这两者似乎有着不可调和的冲突。

弦理论认为,物质的基本构成元素不是点状的粒子,而是一根根震动的“弦”。弦的不同振动模式,就产生了不同的粒子,比如质量为零的引力子。

弦的平均长度大约是普朗克尺度,因此在普朗克尺度以下的空间里所发生的事是无法影响到任何事物的。也就是说,量子力学和广义相对论的冲突在弦理论中其实是不存在的。

2.空间的最小尺度

在标准模型理论中,空间是可以无限分割的。但在弦理论的世界中,空间只能小到弦的尺度,不能再小了。

不由得想起《穿越平行宇宙》中所说,我们的宇宙如果一直膨胀下去,会如何终结,是大冷寂、大挤压、还是其他类型。其中一种结局叫做大断裂,就像把图像放大会出现颗粒状的像素一样,当空间被拉伸过多时,空间本身就会断裂,所有的基本粒子都会被撕碎。

如果从弦理论的角度看,空间只能被撕碎成最小的颗粒尺度——弦。那时候,引力就将不复存在了,其他三种基本力,强力、弱力、电磁力,其实也不存在了。

3.引力的作用尺度

泰格马克猜想,当空间膨胀到一定限度,空间“断裂”,引力波无法传递,引力会消失,所以引力并不是“万有”的。

且不管空间断裂的情况,像电磁波一样,超过更大尺度的距离时,星系之间的引力波基本就衰减到零了。就像桌子上的苹果和梨子之间等于没有引力一样,说不定银河系和遥远星系之间也可以认为没有引力。

科学家观测到遥远星系在加速远离我们,也许它们并没有加速,只是离我们越远,与我们的引力越小,减速越少而已。

引力并不能把整个宇宙团结在一起,它只能导致局部的物质相互吸引。我们的宇宙并没有一个引力中心,反而充满了一个个的小宇宙孤岛。

4.引力一开始并不存在

如果引力波也是以光速传播,而宇宙早期的膨胀速度超过光速的话,物质之间也是来不及产生引力的。那是什么意思呢?A、B两个粒子之间的引力波不能相互传递,也就是A可能收到B的引力波了,却来不及反弹给B粒子,因为B粒子已经跑远了。

所以整个宇宙的膨胀减速,根本不是因为物质间的引力,而是因为热量耗散,粒子的能量降低,速度也就降低了。

这样一想,宇宙大爆炸之初,只有各种基本粒子在高速乱撞。宇宙膨胀冷却到一定温度之下,夸克才结合成质子,带电离子才结合成原子分子,原子聚集起来形成物质和星系。

可不可以说,爆炸之初就没有力的存在呢?至少四大基本力都是无法起作用的。强力起作用是在能形成核子的时候,弱力起作用是在能形成原子核的时候,电磁力、引力起作用的时机,都是粒子能量降低到一定程度,光子、引力子可以与物质相互作用的时候。

5.空间是怎么产生的

引力不存在时,等于广义相对论的空间也不存在。所以空间和时间并不是在宇宙大爆炸那一刻开始的,而是在引力可以发生显著作用,物质相互吸引的时候。或者也可以说,开始于强力可以发生显著作用的时候。毕竟在那之前,宇宙就是一锅沸腾的粒子汤,沸腾多久都一样,直到温度降到沸点以下,夸克凝结成质子的那一刻,或者离子凝结成原子的那一刻。

宇宙的空间并不是一开始就存在的,强力空间、弱力空间、电磁力空间、引力空间是依次形成的,并且尺度依次扩大。这也是为什么,量子力学认为空间在小尺度上是疯狂涨落的,而广义相对论认为空间在大尺度上是平滑的,因为它们本质上就不是同一个空间。

随着宇宙温度的进一步降低,引力波能蔓延的空间会更大,宇宙中的小宇宙引力泡泡会不断扩大,会相互融合。我们的宇宙空间并不会从平滑走向断裂,而是相反,从断裂走向平滑。

最后,宇宙真的只有四种基本力吗?在四种基本力诞生之前,支撑宇宙爆炸或暴涨的能量场,也许暗示了一种未知的力,和它产生作用的未知空间。

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