圖10.3圖10.4圖10.5圖10.6弦理論有一個古怪的曆史。它原先是60年代後期發明來試圖找出一個描述強作用的理論。其方法是,諸如質子和中子這樣的粒子可被認為是一根弦上的波動。這些粒子之間的強作用力對應於連接於其他一些弦之間的弦的片段——正如蜘蛛網一樣。這弦必須像具有大約10噸拉力的橡皮帶,才能使理論給出粒子之間強作用力的觀察值。
1974年,巴黎的朱勒?謝爾克和加州理工學院的約翰?施瓦茲發表了一篇論文,指出弦理論可以描述引力,但是隻不過其張力要大得多,大約是1千萬億億億億噸(1後麵跟39個0)。在通常尺度下,弦理論和廣義相對論的預言是相同的,但在非常小的尺度下,比十億億億億分之一厘米(1厘米被1後麵跟33個0除)更小時,它們就不一樣了。然而,他們的工作並沒有引起很大的注意,因為大約正是那時候。大多數人拋棄了原先的強作用力的弦理論,而傾心於誇克和膠子的理論,後者似乎和觀測符合得好得多。謝爾克死得很慘(他受糖尿病折磨,在周圍沒人給他注射胰島素時昏迷死去)。這樣一來,施瓦茲幾乎成為弦理論的唯一支持者,隻不過現在設想的弦張力要大得多而已。
1984年,因為兩個明顯的原因,人們對弦理論的興趣突然複活。一個原因是,在證明超引力是有限的,以及解釋我們觀察到的粒子的種類方麵,人們未能真正取得進展。
另一個原因是,約翰?施瓦茲和倫敦瑪麗皇後學院的麥克?格林發表的一篇論文指出,弦理論可以解釋內稟的左旋性的粒子存在,正如我們觀察到的一些粒子那樣。不管是什麼原因,大量的人很快開始作弦理論的研究,而且發展了稱之為異形弦的新形式,這種形式似乎能夠解釋我們觀測到的粒子類型。
弦理論也導致無窮大,但是人們認為,它們在一種類似異形弦的變體中會被消除掉(雖然這一點還沒被確認)。然而,弦理論有更大的問題:似乎隻有當空間—時間是十維或二十六維,而不是通常的四維時它們才是協調的!當然,額外的空間—時間維數是科學幻想的老生常談;的確,它們幾乎是必不可少的,因為否則相對論對人們不能旅行得比光更快的限製意味著,由於要花這麼長的時間,以至於在恒星和星係之間的旅行成為不可能。科學幻想的辦法是,人們可以通過更高的維數抄近路。這一點可用以下方法描述。想像我們生活的空間隻有二維,並且彎曲成像一個錨圈或環的表麵(圖10.7)。
如果你是處在這圈的內側的一邊而要到另一邊去,你必須沿著圈的內邊緣走一圈。然而,你如果允許在第三維空間裏旅行,則可以直穿過去。
圖10.7如果這些額外的維數確實存在,為什麼我們沒有覺察到它們呢?為何我們隻看到三維空間和一維時間呢?一般認為,其他的維數被彎卷到非常小的尺度——大約為1英寸的一百萬億億億分之一的空間,人們根本無從覺察這麼小的尺度。我們隻能看到一個時間和三個空間的維數,這兒空間—時間是相當平坦的。這正如一個桔子的表麵:如果你靠非常近去看,它是坑坑窪窪的並有皺紋;但若離開一定的距離,你就看不見高低起伏而顯得很光滑。對於空間—時間亦是如此。因此在非常小的尺度下,空間—時間是十維的,並且是高度彎曲的;但在更大的尺度下,你看不見曲率或者額外的維數。如果這個圖像是正確的,對於自願的空間旅行者來講是個壞消息,額外附加的維實在是太小了,以至於不能允許空間飛船通過。然而,它引起了另一個重要問題:為何是一些而不是所有的維數被卷曲成一個小球?也許在宇宙的極早期所有的維都曾經非常彎曲過。為何一維時間和三維空間攤平開來,而其他的維仍然緊緊地卷曲著?
人擇原理可能提供一個答案。二維空間似乎不足以允許像我們這樣複雜生命的發展。
例如,如果二維動物吃東西時不能將之完全消化,則它必須將其殘渣從吞下食物的同樣通道吐出來;因為如果有一個穿通全身的通道,它就將這生物分割成兩個分開的部分,我們的二維動物就解體了(圖10.8)。類似的,在二維動物身上實現任何血液循環都是非常困難的。
圖10.8多於三維的空間維數也有問題。兩個物體之間的引力將隨距離衰減得比在三維空間中更快。(在三維空間內,如果距離加倍則引力減少到1/4。在四維空間減少到1/8,五維空間1/16,等等。)其意義在於使像地球這樣繞著太陽的行星的軌道變得不穩定,地球偏離圓周軌道的最小微擾(例如由於其他行星的引力吸引)都會引起它以螺旋線的軌道向外離開或向內落到太陽上去。我們就會被凍死或者被燒死。事實上,在維數多於三維的空間中,引力隨距離變化的同樣行為意味著,太陽不可能由於壓力和引力相平衡,而存在於一個穩定的狀態,它若不被分解就會坍縮形成黑洞。在任一情況下,作為地球上生命的熱和光的來源來說,它沒有多大用處。在小尺度下,原子裏使電子繞著原子核運動的電力行為正和引力一樣,這樣電子或者從原子逃逸出去,或者以螺旋的軌道落到原子核上去。在任一情形下,都不存在我們所知道的原子。
看來很清楚,至少如我們所知,生命隻能存在於一維時間和三維空間沒被卷曲得很小的空間—時間區域裏。這表明,隻要人們可以證明弦理論至少允許存在宇宙的這樣的區域——似乎弦理論確實能做到這一點,則我們可以用弱人擇原理。同樣,也會存在宇宙的其他區域或其他宇宙(不管那是什麼含意),那裏所有的維都被卷曲得很小,或者多於四維幾乎是平坦的。但在這樣的區域裏,不會有智慧生物去觀察這有效維數的不同數目。