萬物理論 M理論 與膜宇宙
彭醫師 想 恆星是怎麼死的 影響全宇宙 ...
這裡就說到了 恆星演化 --- 恆星演化會走不同的路徑, 端視 恆星的質量 而不同 ...
恆星死亡後，核心部分依質量大小（由小到大）會變成 白矮星、中子星、黑洞 ...
變成黑洞的那種情形 最為可怕, 會影響全宇宙 ...
天文學家 Chandrasekhar由理論計算出來，當一顆恆星的殘存質星，如果小於1.4太陽質量，將演化成白矮星。
Oppenheimer 及 Volkoff 及其他物理學家，也做了類似的計算。理論預測如果恆星的殘存質星，小於 2.4-3.0 太陽質星但大於 1.4 太陽質星，那麼它將變成中子星 ...
如果超新星爆炸後，恆星殘存的質量大於 3個太陽質量時，將進一步塌縮成黑洞。
先談談 中子星, 中子星又叫做脈衝星 或是 波霎 ~~
由於中子星的磁軸與自轉軸並不一致，因此在轉動時在南北極會有極強的磁通量改變造成感應電動勢，皆一感應電動勢會對離子加速造成輻射，也因此磁南北極會有極強的輻射射出。這些輻射隨著中子星自轉，有如燈塔一般地，規律的射向深遂的太空。
這種極強的輻射 曾經直直照過地球, 造成了 2.51 億年前的生物大滅絕 (三葉蟲就是這樣死光光的) ... 當時 95%的動植物從地球上消失 ...
奧陶紀生物演化大爆發 導致魚類在約 4億年前出現、3.6億年前四肢脊椎動物從水中移居到陸地上。在約 2.5億年前二疊紀末期發生災難性大滅絕後，恐龍成為爬蟲類世界的老大，牠們在 6500萬年前滅絕後，換哺乳類動物稱霸天下。
當然, 大家比較熟知的是 第五次物種大滅絕 ... 發生在距今 6500萬年前，這次滅絕使恐龍消失，哺乳動物出現 --- 那次是由於 小行星撞地球 ... 而現在 地球正處於 第六次物種大滅絕中期 ...
中子星 對宇宙的影響就那麼可怕了 ... 更大質量的恆星死亡 若產生黑洞 不就更可怕了 ?
如果把太陽壓縮，直到能放入一個半徑為 3公里的球體內(其密度大於10 ^16 g/cm3)時，這個 3公里的球面稱為 事件界面 (Event horizon)，
如果在這界面上發射一束光，它只會掉入事件界面之內，而無法逃離事件界面。對所有物質也是一樣，此一界面是一個單向膜，只准進不准出。因此，在此事件界面之內的區域，我們稱為黑洞。
大約 100個太陽質量的恆星死亡時 會產生黑洞, 這個黑洞會快速吸收 恆星死亡後的殘骸 ... 每秒鐘 吸收約 100個地球的質量 ...
科學家估計 因為這種黑洞 無法那麼快的消化那麼多的質能量 ... 勢必會放出 非常強的輻射出來 ... 理論上這種輻射會 "照亮整個宇宙" --- 如果直對太陽系而來, 當然會讓 地球生物 死得很難看 ...
好在 超級大的恆星 是 越來越少了 ... 否則, 宇宙間的生物會很難熬啊 ! ~~
可是想想人類存在的歷史, 與 幾千萬年 會來一次的小行星撞地球的生物毀滅, 與 幾億年會來一次的 中子星輻射造成生物滅絕 比起來 都是太太短暫了 ... 人類 禁不禁得起這樣的毀滅事件呢 ? ~~ 誰知道呢 !
地球有 46億年的歷史了 ... 中間有過多次的 生物大滅絕 ...
在人類出現以前的生物大滅絕 我們不會懼怕 ... 但以後的呢 ?
如果號稱高等智慧的人們 一樣是聽天由命的話, 那與 草履蟲 有何不同呢 ?
對付 會造成地球生物毀滅的 小行星撞地球, 科學家們好像已經可以找到應對的方法 ...
但對恆星死亡時 可能產生的超強輻射 (曾造成地球生物滅絕過), 目前好像還是 束手無策 ...
彭醫師 覺得 面對這麼強大的輻射, 用擋的是擋不住的 ... 可以嘗試用轉換的 ...
能質轉換啊 ! ~~ 如果可以發明的話 ... 不能發明 去發現也不錯啊 ! ~~
要做到能質轉換 一定要先瞭解 宇宙四力與基本粒子
這種 吸能 攜能 的發明 會很重要啊 ! ~~ 首先就可以 用在 抵擋太陽風暴啊 ! ~~
2012 地球末日論 隨著新的 外星人麥田圈預警圖案 而越來越清晰了 ...
所以, 要發明 就要早點 發明啊 ! ~~
我看重的材質是 石墨烯 ~~
根據M理論弦論等 ... 宇宙應該有10個~11個維度 ~~
弦論要10維，而M理論則需11維
霍金說 "我們自以為生活在三維的空間中" --- 一語驚醒夢中人 ! ~~
霍金預言 時空在大爆炸處具有開端，在黑洞處有終結。在這些地方廣義相對論失效了。失效的原因是沒有考慮到物質的小尺度行為。在正常情況下，時空的彎曲是非常微小的，並也是在相對場的尺度上，所以它沒有受到短距離起伏的影響。但是在時間的開端和終結，時空就被壓縮成單獨的一點。
為了處理這個，我們想要把非常大尺度的理論即廣義相對論和小尺度的理論即量子力學相結合。這就創生了一種 TOE (Theory of Everything)，也就是 "萬物理論"，它可用來描述從開端直到終結的整個宇宙。
迄今已經花費了 30年的心血來尋找這個理論，目前為止我們認為已經有了個候選者，稱為 M理論。事實上，M理論不是一個單獨的理論，而是理論的一個網絡，所有的理論事物都在物理上等效。這和科學的實證主義哲學相符合。
在這哲學中，理論只不過是一個數學模型，它描述並且整理觀測 --- 人們不能詢問一個理論是否反映現實，因為我們沒有獨立於理論的方法來確定什麼是實在的。甚至在我們四周，被認為顯然是實在的物體，從實證主義的觀點看，也不過是在我們頭腦中建立的一個模型，用來解釋我們視覺和感覺神經的信息。
我們不能講一種描述比另外一種描述更實在，只不過是對一種特定情形更方便而已。所以 M理論網絡中的所有理論都處於類似地位。沒有一種理論可以聲稱比其餘的更實在。
M 理論網絡中的許多理論的時空維數 具有比我們經驗到的四維更高。這些額外維數是實在的嗎? 我必須承認我曾經對額外維持遲疑的態度。但是，M理論網絡配合得天衣無縫，並且具有這麼多意想不到的對應關係，使我認為如果不去相信它，就如同上帝把化石放進岩石去誤導達爾文去發現進化論一樣。
為什麼我們不能觀察到另外的六或七維呢? --- 時空以及它的維不是絕對的獨立於理論的 "量"，而只不過是一個 "導出概念"，它依賴於特殊的數學模型而定 ... 弦論要10維，而M理論則需11維 ...
維度 是 導出來的啦 ! ~~ 用弦論導出10維，用M理論則可以導出11維 ...
一根頭髮是一維(線); 但用高倍立體顯微鏡下去看, 又變成三維立體的 --- 若我們 利用大型粒子加速器 LHC產生的粒子 把空間探測到非常短的距離, 或許就可以看到這些 被捲曲到比1釐米的一百億億分之一還小 的額外維度 ! ~~
科學家非常自信地認為，他們發現了所有的力，並沒有什麼遺漏。但是，在描述這些力的規律時，他們卻缺乏同樣的自信。20世紀科學的兩大支柱 ---量子力學和廣義相對論 居然是不相容的。廣義相對論在微觀尺度上違背了量子力學的規則；而黑洞則在另一極端尺度上 向量子力學自身的基礎挑戰。
因為額外的維度捲曲的很小導致一般不可能察覺, 小到 10的負30幾次方; 或是大到整個宇宙4度時空 只是一個平面 --- 宇宙 四維的時空可能像一張膜, 而還有其他的膜存在 ...
而引力為何比其他3個力弱這麼多個數量級. 因為引力往其他維度擴散. 所以隨距離減弱的速度很快.
引力作用在兩張膜之間, 這樣我們以為 其他宇宙的質量和引力是暗能量 ...
他們引力可以影響我們; 我們也可以影響他們 ...
但是我們卻看不見其他宇宙的光, 因為電磁力(含光)只作用在膜上 ...
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我想在這次演講中描述一個激動人心的新進展, 它可能改變我們關於宇宙和實在本身的觀點。這個觀念是說，我們可能生活在一個更大空間的膜或者面上。
膜這個字拼寫為BRANE，是由我的同事 保羅湯森為了表達薄膜在高維的推廣而提出的。它和頭腦是同一雙關語，我懷疑他是故意這麼做的。我們自以為生活在三維的空間中，也就是說我們可以用三個數來標明物體在屋子裡的位置，它們可以是離開北牆五英呎離開東牆三英呎還比地板高兩英呎，或者在大尺度下，它們可以是緯度、經度和海拔。在更大的尺度下，我們可以 用三個數來指明星系中恆星的位置，那就是星系維度、星系經度以及和星系中心的距離。
和原來標明位置的三個數一到，我們可以用第四個數來標明時間。這樣，我們就可以這樣把自己描述成生活在四維時空中，在四維時空中可以用四個數來標明一個事件，其中三個是標明事件的位置，第四個是標明時間。
愛因斯坦意識到時空不是平坦的，時空中的物質和能量把它彎曲甚至翹曲，這真是他的天才之舉。根據廣義相對論，物體例如行星企圖沿著直線穿越時空運動，但是因為時空是彎曲的，所以它們的路徑似乎被一個引力場彎折了。這就像你把重物代表一個恆星放在一個塑膠布上，重物會把塑膠布壓凹下去，而且會在恆星處彎曲。 現在如果你在橡皮膜上滾動小滾珠，小滾珠代表行星，它們就圍繞著恆星公轉。我們已經從GPS系統證實了時空是彎曲的，這種導航系統裝備在船隻、飛機和一些轎車上。它依靠比較從幾個衛星來的信號而運行的。如果人們假定時空是平坦的，它將會把位置計算錯。
三維空間和一維時間是我們看到的一切。那麼我們為什麼要相信我們不能想起不能觀察到的它的額外維呢?它們僅僅是科學幻想呢?還是能夠被看的到的科學後果呢? 我們認真地接受額外維的原因是，雖然愛因斯坦廣義相對論和我們所作的一切觀測相一致，該理論預言了自身的實效(還是失效?我覺得該是失效)。羅傑彭羅斯和我在討論廣義相對論時預言時空在大爆炸處具有開端，在黑洞處有終結。在這些地方廣義相對論失效了。這樣人們就不能夠預言宇宙如何開端，或者對落進黑洞的某人將會發生什麼。
廣義相對論在大爆炸或黑洞處失效的原因是 沒有考慮到物質的小尺度行為。在正常情況下，時空的彎曲是非常微小的，並也是在相對場的尺度上，所以它沒有受到短距離起伏的影響。但是在時間的開端和終結，時空就被壓縮成單獨的一點。為了處理這個，我們學要把非常大尺度的理論即廣義相對論和小尺度的理論即量子力學相結合。這就創生了一種 TOE，也就是萬物的理論，它可用來描述從開端直到終結的整個宇宙。
我們迄今已經花費了三十年的心血來尋找這個理論，目前為止我們認為已經有了個候選者，稱為M理論。事實上，M理論不是一個單獨的理論，而是理論的一個網絡，所有的理論事物都在物理上等效。這和科學的實證主義哲學相符合。
在這哲學中，理論只不過是一個數學模型，它描述並且整理觀測。(Positivist Philosophy --- A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations) 人們不能詢問一個理論是否反映現實，因為我們沒有獨立於理論的方法來確定什麼是實在的。甚至在我們四周，被認為顯然是實在的物體，從實證主義的觀點看，也不過是在我們頭腦中建立的一個模型，用來解釋我們視覺和感覺神經的信息。當人們把貝克萊主教的沒有任何東西是實在的見解告訴約 翰遜博士時，既然他用腳尖踢到一個石頭並大聲吼叫，那麼我也就駁斥這種見解。
但是我們也許都和一台巨大的電腦模擬連在一起，當我們發出一個馬達信號去把虛擬的腳擺動到一塊虛擬的石頭上去，它發出一個疼痛的信號。也許我們也就是外星 人玩弄的電腦遊戲中的一個角色。不再開玩笑了，關鍵在於我們能有幾種不同的對於宇宙的描述，所有的這些理論都預言同樣的觀察。我們不能講一種描述比另外一 種描述更實在，只不過是對一種特定情形更方便而已。所以M理論網絡中的所有理論都處於類似地位。沒有一種理論可以聲稱比其餘的更實在。
令人印象深刻的是，M理論網絡中的許多理論的時空維數 具有比我們經驗到的四維更高。這些額外維數是實在的嗎?我必須承認我曾經對額外維持遲疑的態度。但是，M理論網絡配合得天衣無縫，並且具有這麼多意想不到的對應關係，使我認為如果不去相信它，就如同上帝把化石放進岩石去誤導達爾文去發現進化論一樣。
在這些網絡的某些理論中，時空具有十維，而在另一些中，具有十一維。這是如下事實的有一個跡象，即時空以及它的維不是絕對的獨立於理論的量，而只不過是一個導出概念，它依賴於特殊的數學模型而定。那麼對我們而言，時空顯然是四維的，而在M理論是十維或者十一維的，這是怎麼回事呢? 為什麼我們不能觀察到另外的 六或七維呢?
這個問題是傳統的，也是迄今仍被普遍接受的答案是，額外維全部被捲曲到一個小尺度的空間中，餘下四維幾乎是平坦的。它就像人的一根頭髮，如果你從遠處看它，它就顯得像是一維的線。但是如果你在放大鏡下看它，你就看到了它的粗細，頭髮的的確確是三維的。在時空的情形下，足夠高倍數的放大鏡應能揭示出彎卷的 額外維數，如果它存在的話。事實上，我們可以利用大型粒子加速器產生的粒子把空間探測到非常短的距離，比如在日內瓦建造的大型強子碰撞機。至少，迄今我們 還沒有探測到超出四維的額外維的證據。如果這個圖像是正確的，那麼額外維就會被捲曲到比 1釐米的一百億億分之一還小。
我剛才描述的是處理額外維的傳統手段。它意味著我們有較大的機會探測到額外維的僅有之處是宇宙的極早期。然而最近有人提出更激進的設想，額外維中的一維或者二維尺度可以大的多，甚至可以是無限的。因為在粒子加速器中沒有看到這些大的額外維，所以必須假定所有的物質粒子被侷限在時空的一個膜或面上，而不能自 由地通過大的額外維傳播。光也必須被限制在膜上，否則的話，我們就已經探測到大的額外維，粒子之間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質量之間的普適的力。它不能被限制在膜上，相反地，它要滲透到整個空間。因為引力不僅能夠耗散開，而且能夠大量發散到額外維中去，那麼它隨距離的衰減應該比電力更厲害。電力是被限制在膜上的。然而我們從行星軌道的觀測得知，太陽的萬有引力拉力，隨著行星離開太陽越遠越下降，和電力隨距離減小的方式相同。
這樣，如果我們的確生活在一張膜上，就必須有某種原因說明為何引力不從膜往很遠處散開，而是被限制在它的附近。一種可能性是額外維在第二張影子膜上終結，第二張膜離我們生活其中的膜不遠。我們看不到這張影子膜，因為光只能沿著膜旅行，而不能穿過兩膜之間的空間。然而我們可以感覺到影子膜上物體的引力。可能存在影子星系、影子恆星甚至影子人，他們的人正為感受到從我們膜上的物質來的引力而大大驚訝。對我們而言，這類影子物體呈現成暗物質，那是看不見的物質。但是其引力可以被感覺到。
事實上，我們在自身的星系中具有暗物質的證據。我們能看到的物質的總量不足以讓引力把正在旋轉的星系抓在一起。若不存在某種暗物質，該星系將會飛散開。類似地，我們在星系團中觀測到的物質總量也不足以防止它們散開，這樣又必須存在暗物質。當然，影子膜並不是暗物質的必要條件。暗物質也許不過是某種很難觀測 到的物質的形式，例如 wimp(弱相互作用重粒子)，或者褐矮星以及低質量恆星，後者從未熱到足以使氫燃燒。
因為引力發散到我們的膜和影子膜之間的區域，在我們膜上的兩個鄰近物體間的萬有引力隨距離的下降會比電力更厲害，因為後者被侷限於膜上。我們可能在實驗室中，利用劍橋的卡文迪許爵士發明的儀器測量引力的短距離行為。迄今我們沒有看到和電力的任何差異，這意味著膜之間距離不能超過一釐米。按照天文學的標準這是微小的，但是何其他額外維的上限相比是巨大的。正在進行短距離下引力的新測量，用以檢測膜世界的概念。
另一種可能性是，額外維不在第二張膜上終結，額外維是無限的，但是正如馬鞍面一樣被高度彎曲。莉薩 朗達爾和拉曼 桑德魯姆指出，這種曲率的作用和第二張膜相當類似。一張膜上的一個物體的引力影響，將不會在額外維中發散到無限去。正如在影子膜模型中，引力場長距離的衰減正好用以解釋行星軌道和引力的實驗室測量，但是在短距離下引力變化得更快速。然而在朗達爾－桑德魯姆模型和影子膜模型之中存在一個重大的差別。物體受引 力影響而運動，會產生引力波。引力波是以光速通過時空傳播的曲率的漣漪。正如光的電磁波，引力波也必須攜帶能量，這是一個在對雙脈衝星觀測中被證實的預言。
如果我們的確生活在具有額外維的時空中的一張膜上，膜上的物體運動產生的引力波就會向其它維傳播。如果還有第二張影子膜，它們就會反射回來，並且被束縛在 兩張膜之間。另一方面，如果只有單獨的一張膜，而額外維無限的延伸，就像 "朗達爾-桑德魯姆模型" 中那樣，引力波會全部逃逸，從我們的膜世界把能量帶走。這似乎違背了一個基本物理原則，即能量守恆定律。它是講總能量維持不變。然而，只是因為我們對所發生事件的觀點被限制在膜上，所以就顯得定律被違反了。一個能看到額外維的天使就知道能量是常數，只不過更多的能量被發散出去。
只有短的引力波才能從膜逃逸，而僅有大量的短引力波的源似乎來自於黑洞。膜上的黑洞會延伸成在額外維中的黑洞。如果黑洞很小，它就幾乎是圓的。也就是說它 向額外維延伸的長度就和在膜上的尺度一樣。另一方面，膜上的巨大黑洞將會延伸成 "黑餅"。它被限制在膜的鄰近，它在額外維中的厚度比在膜上的寬度小得多。
若干年以前，我發現了黑洞不是完全黑的：它們會發射出所有種類的粒子和輻射，它們就如熱體一樣。粒子和光這樣的輻射會沿著膜發射，因為物質和電力被限制在膜上。然而，黑洞也輻射引力波，這些引力波不被限制在膜上，也向額外維中傳播。如果黑洞很大，並且是餅狀的，引力波就會留在膜的附近，這意味著黑洞 以四維時空中所預想的速度損失能量和質量。因此黑洞會緩慢地蒸發，尺度縮小，直至它變得足夠小，使它輻射的引力波開始自由地逃逸到額外維中去。
對於膜上的某人， 黑洞就相當於在發散暗輻射，也就是膜上不能直接觀察到的輻射，但是其存在可以從黑洞正在損失質量這一事實推出。這意味著從正在蒸發的黑洞來的最後輻射暴顯得比它的實際更不激烈些，這也許是為什麼我們還未觀測到 正在死亡的黑洞產生伽馬線暴。
雖然還存在另一種乏味的解釋，就是說不存在許多這樣的黑洞，其質量小到不遲於宇宙的現階段蒸發。這真是遺憾，因為如果發現一個低質量的黑洞，我就會獲得諾貝爾獎。
對於膜世界的產生有幾種理論。一種版本是稱為 Ekpyrotic宇宙的影子膜模型。Ekpyrotic 這個名字有點繞嘴，但是它是從希臘文來的，意思是運動和變化。在 Ekpyrotic場景中，人們認為我們的膜以及影子膜存在了無限久。他們是在無限的過去在靜態中啟始的。膜之間一個非常小的力就使他們相互運動，膜就會碰撞，並且相互穿越，產生大量的熱和輻射。這一碰撞被認為是大爆炸，也就是宇宙熱膨脹相的啟始。
關於膜是否能夠碰撞以及如此這般行為，存在許多未解決的技術問題。但是，即使膜具有所需要的性質，以我的意見，Ekpyrotic場景也是不能令人滿意的。它要求膜在無限的過去啟始時，處於一種以不可思議的精度調準的位形之中。
膜的初始條件的任何微小變化，都會使碰撞變得亂糟糟的，產生一個高度無規的膨脹宇宙，一點也不像我們現在觀察到的這個幾乎光滑的宇宙。如果膜從它們的基態或者最低能態啟始，初始條件被精確指定便是很自然的了。但是如果存在最低能態，膜將會停留在那兒，而永不碰撞。但事實上，膜從一個非穩態啟始，必須人為地讓它處於這種態。這必須是一隻相當穩定的手，才能使初始條件那麼精確。但是，如果一個人能夠做到這一點，他能夠使膜從任何方式啟始。
按照我的意見，膜世界啟始的更遠為吸引人的解釋是，它作為真空中的起伏而自發產生。膜的產生有點像沸騰水中蒸氣泡的形成。水液體中包含億萬個H2O分子， 它們在最靠近的鄰居之間耦合，並且擠在一起。當水被加熱上去，分子運動得更加快，並且相互彈開。這些碰撞偶然賦予分子如此高的速度，使得它們中的一群能擺脫它們的鍵，形成熱水圍繞著的蒸氣小泡泡。
泡泡將以隨機的方式長大或縮小，這時液體中來的更多的分子參與到蒸氣中去，或者相反的過程。大多數小蒸氣泡將會重新塌縮成液體，但是有一些會長大到一定的臨界尺度，超過該臨界尺度泡泡幾乎肯定會繼續成長。我們在水沸騰時觀察到的正是這些巨大的膨脹的泡泡。
膜世界的行為很類似。真空中的起伏會使膜世界作為泡泡從無中出現。膜形成泡泡的表面，而內部是高維空間。非常小的泡泡將重新塌縮成無。但是一個由量子起伏成長的泡泡超出一定的臨界尺度，很可能繼續膨脹。在膜上，也就是在泡泡的表面上的我們會以為宇宙正在膨脹。這就像在氣球的表面上畫上星系，然而把它吹漲，星系就相互離開，但是沒有任何星系被當作膨脹的中心。讓我們希望，沒有人持宇宙之針將泡泡放氣。隨著膜膨脹，內部高維空間的體積會增大。最終存在一個極具巨大的泡泡，它被我們生活其中的膜環繞著。
膜也就是泡表面上的物質將確定泡泡內部的引力場。平等地，在內部的引力場也將確定膜上的物質。它就像一張全息圖。一張全息圖是一個三維物體被編碼在一個二維表面上的象。我對全息圖的全部知識是，在一張圖上是星際航行的一集中的場景，我本人與牛頓和愛因斯坦在一起。類似於，我們認為是四維時空的也許只是五維泡泡內部區域所發生的事件的一張全息圖。
這樣，什麼是實在的呢?是泡泡還是膜?根據實證主義哲學，這是沒有意義的問題。因為不存在獨立於模型的實在性的檢驗，或者說什麼是宇宙的真正維數是沒有意義的，四維和五維的描述是等效的。我們生活在三維空間和一維時間的世界中，我們對這一些自以為一清二楚。但是我們也許只不過是閃爍的篝火在我們存在的洞穴的牆上的投影而已。但願我們遭遇到的任何魔鬼都是影子。
膜世界模型是研究的熱門課題，它們是高度猜測性的。但是它們提供了可供觀測驗證的新行為，它們可以解釋為什麼萬有引力為什麼這麼弱。在基本理論的基礎中， 引力也許相當的強大但是引力在額外維散開意味著，在我們生活其中的膜上的長距離引力變弱了。如果引力在額外維中更強，那麼在高能粒子碰撞時形成小黑洞就容易得多。
這也許在日內瓦建造中的LHC也就是大型強子碰撞機上可能實現。一個微小的黑洞不會吃掉地球，不像報紙中繪聲繪色的恐怖故事那樣。相反地，黑洞將會在「霍金輻射」的「噗」的一陣中消失，而我將得到諾貝爾獎。LHC加油! 我們可以發現一個膜的新奇世界。
http://xian.name/cn/readers/02/051.htm
M理論
1984-1985年，弦理論發生第一次革命，其核心是發現「反常自由」的統一理論；1994-1995年，弦理論又發生既外向又內在的第二次革命， 弦理論演變成M理論。第二次弦革命的主將 威滕(Edward Witten)被美國《生活》週刊評為二次大戰後 第六位最有影響的人物。
M理論的「M」指什麼
威滕說：「M在這裡可以代表魔術(Magic)、神秘(Mystery)或膜(Membrane)，依你所好而定。」施瓦茨則提醒大家注意，M還代表矩陣(Matrix)。
在圍棋遊戲中，只有圍與不圍這樣很少的幾條規則，加上黑白兩色棋子，卻可以弈出千變萬化的對局。與此相似，現代科學認為，自然界由很少的幾條規則支配，而存在著無限多種這些支配規律容許的狀態和結構。任何尚未發現的力，必將是極微弱的，或其效應將受到強烈的限制。這些效應，要麼被限制在極短的距離內，要麼只對極其特殊的客體起作用。
科學家非常自信地認為，他們發現了所有的力，並沒有什麼遺漏。但是，在描述這些力的規律時，他們卻缺乏同樣的自信。20世紀科學的兩大支柱 --- 量子力學和廣義相對論 居然是不相容的。廣義相對論在微觀尺度上違背了量子力學的規則；而黑洞則在另一極端尺度上 向量子力學自身的基礎挑戰。面對這一困境，與其說物理學不再輝煌，還不如說這預示著一場新的革命。
薩拉姆 (A.Salam)和溫伯格(S.Weinberg)的弱電統一理論，把分別描述電磁力和弱力的兩條規律，簡化為一條規律。而M理論的最終目標，是要用一 條規律來描述已知的所有力(電磁力、弱力、強力、引力)。當前，有利於M理論的證據與日俱增，已取得令人振奮的進展。M理論成功的標誌，在於讓量子力學與 廣義相對論在新的理論框架中相容起來。
同弦論一樣，M理論的關鍵概念是超對稱性。所謂超對稱性，是指玻色子和費米子之間的對稱性。玻色子是以印度加爾各答大學物理學家玻色 (S.N.Bose)的名字命名的；費米子是以建議實施曼哈頓工程的物理學家費米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整數自旋，而費米子具有半整數自旋。相對論性量子理論預言，粒子自旋與其統計性質之間存在某種聯繫，這一預言已在自然界中得到令人驚嘆的證實。
在超對稱物理中，所有粒子都有自己的超對稱夥伴。它們有與原來粒子完全相同的量子數(色、電荷、重子數、輕子數等)。玻色子的超夥伴必定是費米子；費米子的超夥伴必定是玻色子。儘管尚未找到超對稱夥伴存在的確切證據，但理論家仍堅信它的存在。他們認為，由於超對稱是自發破缺的，超夥伴粒子的質量必定比原來粒子的大很多，所以才無法在現有的加速器中探測到它的存在。
局部超對稱性，還提供將引力也納入物理統一理論的新途徑。愛因斯坦廣義相對論，是根據廣義時空坐標變換下的某些要求導出來的。在超對稱時空坐標變換 下，局部超對稱性則預言存在「超引力」。在超引力理論中，引力相互作用由一種自旋為2的玻色子(引力子)來傳遞；而引力子的超夥伴，是自旋為3/2的費米子(引力微子)，它傳遞一種短程的相互作用。
歷史的玩笑：回到11維
廣義相對論沒有對時空維數規定上限，在任何維黎曼流形上都能建立引力理論。超引力理論卻對時空維數規定了一個上限 --- 11維。更吸引人的是，已經證 明，11維不僅是超引力容許的最大維數，也是納入等距群 SU(3)×SU(2)×U(1)的最小維數。描述強力的標準模型，即量子色動力學，是基於定域對稱群SU(3)的規範理論，它的量子叫做膠子，作用於一 個叫「色」的內稟量子數上。
描述弱力和電磁力的溫伯格-薩拉姆模型，是基於SU(2)×U(1)的規範理論。這個規範群作用在「味道」上，而不是在「顏色」上，它不是精確的，而是自發破缺的。由於這些理由，許多物理學家開始探討11維的超引力理論，期望這就是他們尋求的統一理論。
然而，在手征性面前，引力理論的一根支柱突然倒塌了。手征性是自然界的一個重要特徵，許多自然對象都有類似於人的左手與右手那樣的對稱性。像中微子的自旋，就始終是左手的。
20世紀20年代，波蘭人卡盧扎(T.Kaluza)和瑞典人克萊因(O.Klein)，發現從高維空間約化到可觀測的 4維時空的機制。若11維超引力中的7維空間是緊致的，且其尺度為 10-33釐米(緣此其不被覺察)，就會導出粒子物理標準模型所需的 SU(3)×SU(2)×U(1)對稱群。但是，在時空從11維緊致化到4維時，卻無法導出手征性來。到了 1984年，超引力喪失領頭理論地位，超弦理論取而代之。當時，「讓11維見鬼去吧!」---「夸克之父」蓋爾曼(M.Gell-Mann)的這句名言， 表達了不少物理學家對11維的失望情緒。
從1984年起，人們認定10維時空是最佳選擇，10維時空的弦論替代了11維時空的超引力理論。曾流行過五種弦論，其不同在於未破缺的超對稱性荷的 數目，以及所帶有的規範群。在10維時空中，最小的旋量具有 16個實份量，有三種弦論的守恆超荷恰巧對應於這種情況，它們是類型Ⅰ、雜優弦HE和HO。其 餘兩種弦論含有2個旋量超荷，稱為類型Ⅱ弦。其中，類型ⅡA的旋量具有相對的手征性，類型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二種雜優弦，分別帶有 E8×E8規範群和 SO(32)規範群。
類型Ⅰ弦也具有 SO(32)規範群，它是開弦，而其餘的4種弦是閉弦。重要的是，它們都是反常自由的，即弦論提供了一種與量子力學相容的引力理論。在這些理論中，HE弦至少在原則上能解釋所有已知粒子和力的性質，當然也包括手征性在內。
然而，弦論絕非美侖美奐，至少可從四方面對它詰難。首先，人們本將弦論當作物理統一理論來追尋，它的五種不同理論卻又給出了五種不同的宇宙，若人類生 活在其中的一種宇宙之中，那麼其餘四種理論描述的宇宙，又是何等樣的生物居住其中呢? 其次，若將粒子看作弦，那為什麼不將它們看作膜，抑或看作 p維客體 --- 胚(brane)呢?
再者，關於弦論的實驗驗證，傳統的粒子加速器方法，顯然受到技術和經費兩方面限制，然而新的方法又在何處?最後，超對稱性容許時空的最大維數是11維，為什麼弦論只到10維就戛然而止了呢? 餘下的那一維是逃逸了，還是隱藏起來了呢?
歷史真會開玩笑，在人們讓11維「見鬼」十年之後，1994年開始了弦論的第二次革命。此後，五種不同的弦論在本質上被證明是等價的，它們可以從11維時空的 M理論導出。經歷了十年艱苦卓絕的辛勞，人們居然又回到了原來的時空維數，否定之否定實在是條奧妙的哲理。
對偶性與M理論
M理論的11維真空，能用一個稱作11維時空普朗克質量 mP的單一標度表徵。若將11維時空中的一個空間維度，取成半徑為R的圓周，就可以將它與類型Ⅱ A的弦論聯繫起來。類型ⅡA弦論有一個無量綱的弦耦合常數gs，它由膨脹子場Φ(一種屬於類型ⅡA超引力多重態的無質量標量場)的值決定。類型ⅡA的質量 標度ms的平方，給出基本ⅡA弦的張力，11維與10維的ⅡA的參數之間的關係為(略去數值因子2π)ms2=RmP3，gs=Rms。
ⅡA理論中經常使用的微擾分析，是將ms固定而對gs展開。從第二個關係式可見，這是關於R=0的展開，這也就是為什麼在弦微擾論中沒有發現11維解釋的原因。半徑R是一個模(modulas)，它由帶有平坦勢的無質量標量場的值確定。若這個模取值為零，對應於ⅡA理論；若取值無窮大，則對應於11維理論。
雜優弦HE與11維理論也有相似的聯繫，差別在於緊致的空間不再是圓周，而是一條線段。這個緊致化會產生兩個平行的10維切面，而每一面又對應於一個E8規範群。引力場存在於塊中。從11維時空更能說明，為什麼採用E8×E8規範群才會是量子力學「反常自由」的。
早在本世紀初，德國女學者諾特(A.Noether)證明了一條著名定律：對稱性對應於某一種物理守恆定律。電荷、色荷，以及別的守恆荷，都能看成是 諾特荷。某些粒子的特性在場變形下保持不變，這樣的守恆律稱為拓撲的，其守恆荷為拓撲荷。按照傳統觀點，輕子與夸克被認作是基本粒子，而單極子等攜帶拓撲荷的孤子是派生的。是否能顛倒過來猜想呢?即猜想單極子帶諾特荷，而電子帶拓撲荷呢?
這一猜想被稱作蒙托南-奧利夫(Montonen-Olive)猜想，它給物理計算帶來了意料不到的驚喜。帶有e荷的基本粒子等價於1/e的拓撲孤子，而粒子的荷對應於它的相互作用耦合強度。夸克的耦合強度較強，因而不能用微擾論計算，但可用耦合強度較弱的對偶理論計算。
這方面的一個突破性進展，是由印度物理學家森(Ashoke Sen)取得的。他證明，在超對稱理論中，必然存在既帶電荷又帶磁荷的孤子。當這一猜測推廣到弦論後，它被稱作S對偶性。S對偶性是強耦合與弱耦合之間的對偶性，由於耦合強度對應於膨脹子場Φ的值。雜優弦HO與類型I弦可通過各自的膨脹子場聯繫起來，即Φ(I)＋Φ(HO)=0。
弱HO耦合對應Φ(HO)=-∞，而強HO耦合對應Φ(HO)=＋∞。可見，雜優弦是I型弦的非微擾激發態。這樣，S對偶性便解釋了一個長期令人疑惑的問題：HO弦與I型弦,有著相同的超對稱荷和規範群SO(32)，卻有著非常不同的性質。
在弦論中，還存在著一種在大小緊致體積之間的對偶性，稱作T對偶性。舉例來說，ⅡA理論在某一半徑為RA的圓周上緊致化和ⅡB理論在另一半徑為RB的圓周上緊致化，兩者是等價的，且有關係RB=(ms2RA)-1。
於是，當模RA從無窮大變到零時，RB從零變到無窮大，這給出了ⅡA和ⅡB之間的聯繫。兩種雜優弦間的聯繫，雖有技術細節的不同，本質卻是一樣的。
弦論還有一個定向反轉的對稱性，如將定向弦進行投影，將會得到兩種不同的結果：扭曲的非定向開弦和不扭曲的非定向閉弦。這就是ⅡB型弦和I型弦之間的聯繫。在M理論的語言中，這一結果被說成:開弦是狄利克雷胚的衍生物。
p胚的分類與對偶
眾所周知，有質量的矢量粒子有3個極化態，而無質量的光子只有2個極化態。無質量態可以看作是有質量態的臨界狀態。在4維時空的龐加萊對稱性中，用小群表示描述光子態。小群表示又稱短表示，這一代數結構可以推廣到11維超對稱理論。臨界質量也會在M理論中重現。
由諾特定理，能量和動量守恆是時空平移對 稱性的推論。超對稱荷的反對易子是能量和動量的線性組合，這是超引力的代數基礎。然而，兩個不同超對稱荷的反對易子，卻可生成新的荷。這個荷稱作中心荷 Q。對於帶有中心荷的超代數也有一個短表示，它將與M理論的非微擾結構密切相關。
對於帶有中心荷的粒子態，代數結構蘊涵著物理關係 m≧|Q|，即質量將大於中心荷的絕對值。若粒子態是短表示的話，該關係取臨界情形m=|Q|,通常稱為BPS態。這一性質的最初形式是前蘇聯學者博戈莫 爾內(E.B.Bogomol'nyi)、美國學者普拉薩德(M.K.Prasad)和薩默菲爾德(C.M.Sommerfield)在研究規範場中單極子時發現的。
如果將BPS態概念應用到p胚，這時中心荷用一個p秩張量來描述，BPS條件化作p胚的單位體積質量等於荷密度。處於BPS態的p胚將是一個保留某種 超對稱性的低能有效理論的解。Ⅱ型弦與11維超引力都含有兩類BPS態p胚，一類稱為電的，另一類稱為磁的，它們都保留了一半的超對稱性。
在10維弦論中，據弦張力Tp與弦耦合常數gs的依賴關係，p胚可分成三類。當Tp獨立於gs，且與弦質量參數的關係為 Tp∽(ms)p＋1，則稱胚為基本p胚；這種情形僅發生在p=1時，故又稱它為基本弦；這又是在弱耦合下僅有的解，故它又是僅可使用微擾的弦。
當弦張力 Tp∽(ms)p＋1/gs2，則稱胚為孤子p胚；事實上這僅發生在p=5時，它是基本弦的磁對偶，記作 NS5胚。當 Tp∽(ms)p＋1 /gs，則稱胚為狄利克雷p胚，記作Dp胚，其性質介於基本弦和孤子之間。通過磁對偶性，Dp胚將與Dp′胚聯繫起來，其中p＋p′=6。
在11維時空中，存在兩類p胚：一類是曾被命名為超膜的M2胚，另一類稱為M5胚的5胚，它們互為電磁對偶。11維理論僅有一個特徵參數mP，它與弦 張力Tp的關係為 Tp∽(mP)p＋1。將11維理論通過其中1維空間作圓周緊致化,能導出ⅡA型理論。那麼，p胚在這個緊致化過程中將做出什麼變化呢?p 胚的空間維數可以佔據或不佔據緊致維。倘若佔據，M2胚將捲曲成基本弦, M5胚捲曲成D4胚；倘若不佔據，M2胚化作D4胚，M5化作NS5胚。
將掀起一場宇宙學風暴嗎
當年，許多物理學家之所以捨棄11維超引力，無情地讓它「見鬼」去，乃因威滕等人認為，在將11維緊致化到4維時，無法導出手征性。十年後，威滕又否定了自己，這一否定正是威滕雄渾浩博哲學氣息的表露。事實上，獨立於人類而存在的外部世界，就像一個巨大而永恆的謎，對這個世界作凝視沉思，就像尋求解放 一樣，吸引著每一個具有哲學氣息的物理學家。
威滕和荷拉伐(Peter Horava)發現，從11維的M理論可以找到手征性的起源。他們將M理論中的一個空間維數收縮成一條線段，得到兩個用該線段聯繫起來的10維時空。粒子和弦僅存在於線段兩端的兩個平行的時空中，它們通過引力彼此聯繫。物理學家猜測，宇宙中所有的可見物質位於其中的一個，而困擾著物理學家的暗物質則在另一 個平行的時空中，物質與暗物質之間僅通過引力相聯繫。這樣，便可巧妙地解釋宇宙中為什麼存在看不到的質量。這一圖像具有極其重要的物理意義，可用來檢驗M理論。
70年代，物理學家已認識到，所有相互作用的耦合強度隨能量變化，即耦合常數不再是常數，而是能 量的函數，並給它取了個形象的名稱 --- 跑步耦合常數。90年代，物理學家又發現，在超對稱大統一理論中，電磁力、弱力與強力的耦合強度，會聚在能量標度E約為 1016吉電子伏的那一點上。物理學家們為這一成功喝彩不已，一些帶有浪漫情結的評論家甚至認為，超對稱已取得最終的勝利，不必再等待2010年在LHC 對撞機上的實驗數據。
然而，這裡只統一了宇宙四大基本相互作用中的三個，還有一個引力。對這個人類最先認識的引力，又將如何處置呢?給人啟迪的是，上述三力統一的耦合強度 與無量綱量GE2(G為牛頓引力常數)相近，而不相等。在威滕-荷拉伐方案中，可選擇線段的尺寸，使已知的四種力一起會聚在同一能量標度E上。
引力的量子效應，將在比普朗克能量標度低得多的標度(E≒1016吉電子伏)上起作用，這無疑將對宇宙學產生全面的影響。
黑胚：M理論的卓越成就
當其他類型的力不存在時，所有受引力作用的系統都會坍縮成黑洞。地球之所以沒有被它自身的重量壓垮，是因為構成它的物質很硬，這硬度來源於電磁力。同樣，太陽之所以沒有坍縮，也只是因為太陽內部的核反應產生了巨大的外向力。假如地球和太陽失去這些力，就會在短短的幾分鐘之內收縮，且越縮越快。隨著收縮，引力會增加，收縮的速度也隨之加快，從而將它們吞沒在逐步上升的時空彎曲裡，變成黑洞。從外部看黑洞，那裡的時間好像停止了，不會看到進一步的變化。
黑洞所代表的，就是受引力作用系統的最終平衡態，該態相當於最大的熵。儘管目前對一般的量子引力尚不明了，霍金(Stephen Hawking)卻利用量子論，成功地對黑洞提出了一個熵的公式。這個事實，有時被叫做黑洞悖論。
在廿多歲就解決規範場量子化問題的荷蘭理論物理學家胡夫特(G.t'Hooft)，曾向弦學者提出關於弦論為何沒能解決黑洞問題的質詢。當時人們並不 明白，這究竟是詰難，還是鼓勵?然而，在弦論演化成M理論之際，所有的疑問很快消散了。胡夫特這位物理感覺十分敏銳的天才，在山雨欲來之際聽到了雷聲，但 他也沒能預見到，來的是何等樣一場風暴!
在某些情形下，Dp胚可以解釋成為黑洞，或者更恰當地說是黑胚，即是任何物質(包括光在內)都不能從中逃逸的客體。於是，開弦可以看成是有一部分隱藏在黑胚之中的閉弦。可以將黑洞看成是由7個緊致維的黑胚構成的, 從而M理論將為解決黑洞悖論提供途徑。霍金認為黑洞並不是完全黑的，它可以輻射出能量。黑洞有熵，熵是用量子態數目來衡量的一個系統的無序程度。
在M理論之前，如何清點黑洞量子態數目，人們束手無策。斯特龍明格 (Andrew Strominger)和瓦法(Cumrun Vafa)利用Dp胚方法，計算了黑胚中的量子態數目。他們發現，計算所得的熵與霍金預言的完全一致。這無疑是M理論取得的又一項卓越成就。
10維弦論緊致化到4維的方式有成千上萬種，不同方式產生出4維世界中不同的運行機制。於是，不信弦的人認為，這根本就沒作預測。然而，在M理論中， 黑胚有望解決這一難題。現已證明，當黑胚包繞著一個洞收縮時，黑胚的質量將會消失。這一性質將對時空本身產生絕妙的影響，它將改變經典拓撲學的法則，使得時空拓撲發生變化。一個帶有若干洞的時空，可以想像成一塊蜂蜜蛋糕。
在黑胚作用下，它變成了另一塊蜂糕，即變成了另一帶有不同數目洞的時空。利用這一方法，可以把所有不同的時空聯繫起來。這樣，對弦緊致問題的詰難，就容易解決了。M理論最終將依照某種極值原理，選擇一個穩定的時空，弦就在這個時空中生存下來。接下來便是，振動著的弦將產生人類已知的粒子和力，也就是產生出 人類所處的現實世界。
仍然是個未決問題
儘管M理論已取得纍纍碩果，然而種種跡象表明，已經窺見的不過是些「雪泥鴻爪」而已，最深層的奧秘尚待揭示，什麼是M理論的真面貌，仍然是一個未決問題。儘管M理論的成功，使弦論學家擺脫了昔日的困境，但他們必將以「往日崎嶇還記否? 路長人困蹇驢嘶。」來勉勵自己，希望在今後幾年中發現 M理論的真面目。
美國學者蘇什金 (Leonard Susskind)等人，進行了一次新嘗試，他們稱M理論為矩陣理論(英語中矩陣一詞，也是以 M開頭的)。試圖給M理論下一個嚴格的定義。矩陣理論的基礎是無窮多個 0胚(也就是粒子)，這些粒子的坐標(即時空位置)不再是通常的數，而是相互之間不能對易的矩陣。
在矩陣理論中，時空本身成了一個模糊的概念，這一方法使 物理學家大為振奮。施瓦茨呼籲大家關心這些研究，同時指出矩陣理論含有一個重要的未決問題：「當多個空間緊致維數出現時，在矩陣理論中用環面Tn緊致化將 會遇到困難，或許會找到更好的緊致化方法，否則新的研究是必要的。」
愛因斯坦說：「關於這個世界，最不可理解的是，這個世界是可以理解的。」今天，對於M理論，最不可理解的是，它居然已經把理解世界推進了一大步。
摘自 北方網
http://xian.name/cn/readers/02/204.htm
誘人「膜」力
http://sa.ylib.com/circus/circusshow.asp?FDocNo=760&CL=11
藍道爾對於較高維度、扭曲空間以及薄膜的想法，為宇宙學和物理界捎來了新的靈感，或許終將統合自然界中的四種力。
撰文╱霍洛韋( Marguerite Holloway )
翻譯／曾玠郡
美國哈佛大學的物理學家莉莎．藍道爾(Lisa Randall)回憶，就在1998年的夏天，她一頭栽進了額外維度的世界裡。額外維度這種超越一般人所能理解的四維空間(三維空間再加上一維時間)，在理論物理中已是老生常談：1919年，數學家卡魯扎提出了五維時空的構想，弦論要10維，而M理論則需11維。話雖如此，藍道爾卻很少碰它們。直到那年夏 天，她才打算拿額外維度來對付超對稱這個一直困擾著她的難題。
藍道爾聯繫了曾經與她合作的研究夥伴，亦即當時在波士頓大學擔任博士後研究的桑壯(Raman Sundrum)，詢問他要不要與額外維度和膜來一場腦力激盪。膜是較高維時空中，數個空間維度的區域或是帶狀區。舉例來說，我們存在的世界可能是在一張三維膜上。任何人都會好奇，究竟這張膜是嵌在哪些個空間維度？藍道爾解釋：「桑壯已研究過膜和額外維度，因此他會是個好合作夥伴。」
眾所周知的 RS-1及RS-2這兩篇論文，便是他們用咖啡因和冰淇淋，配上幾條讓人頭暈目眩的式子所澆灌出來的研究成果。過去五年內被引用的次數早已名列前茅。
這兩篇發表於1999年的論文，提供了重力、膜和額外維度嶄新的想法，他們認為宇宙的演化在初期和後期應該有所差異。加拿大馬吉爾大學的克萊恩談道：「對我及許多對宇宙學和粒子物理感興趣的人而言，這代表了早期宇宙中一種新的可能。」
這種直覺常讓藍道爾面對她不熟悉的問題。當藍道爾在知名的紐約市史泰維山特中學求學期間，她便打算以「複數中的完全數」(即高斯整數)做為題目，來角逐當時的西屋科學獎。(所謂的完全數就像6這樣的數字，其因數為 1、2和3，而加起來之後又會等於該數本身 6。) 她說：這項計畫就是想找尋這類數字出現的模式，但數量其實不多。基本上，我總是在一無所知的情況下便著手進行一項大計畫。
然而，藍道爾執著於這些數字的初衷，卻成了一個絕佳的先例，為她開啟了往後在眾多晦澀的物理領域中所做的數學嘗試，例如 天彩(Technicolor)、荷-宇稱違逆(CP violation)、味結構(Flavor structure)以及重子生成(Baryogenesis)等。
雖然這並非他們的本意，但藍道爾和桑壯卻利用額外維度的觀念，幫所謂的「階級問題」開闢出另一條解決之道。這問題雖有很多面向，但基本上就是在問：為何重力相較於其他的力是如此微不足道? 比起電磁力、弱作用力和強作用力硬是少了30幾個零。重力和其他三種作用力的強度差異過大，想將之整合起來簡直就是天方夜譚，雖然在宇宙大霹靂的早期它們應該是統合在一起的。
藍道爾和桑壯不想引入超對稱(一種廣為人知的對稱性，假設現今所有已知的粒子都有其相對應但卻尚未偵測到的伴粒子)，因此他們假設重力是存在於另一張膜上，而重力膜和我們所在的膜之間，則被五維時空中的額外維度(約為10-31公分)所隔開。在 RS-1的模型中，除了重力以外，其他作用力和粒子均被限制在我們所在的三維膜上，而重力則是集中在另一張膜上，並可來去自如地在時空中穿梭，而此時空則被扭曲成 反德西特空間(Anti-De Sitter Space)的樣子。當重力傳到我們這裡的時候被減弱了；但在另一張膜上，它的強度比起其他三種作用力，卻是不遑多讓。
伊利諾州費米實驗室的物理學家利根表示：「弦論學者想將所有的作用力都關在一張膜上，只讓重力溜走，但他們尚未研究出相關的機制。」他說：「藍道爾和桑壯讓人們對此事完全改觀。」
當藍道爾和桑壯仔細琢磨過自己的想法後，他們更了解到，若將時空的額外維度以反德西特的方式來扭曲的話，那麼即便這個額外維度是無窮大，也不會影響我們觀察到的重力。這模型就是後來的 RS-2。
英國倫敦帝國學院的理論學家杜夫說：「這個破天荒的想法誇張到令研究額外維度的學者也很吃驚，因為就算額外維度如此之大，我們也不會察覺任何異狀。牛頓定律還是平方反比，而非之前所預期的，會變為三次方反比。」
許多物理學家花了些時間才弄懂藍道爾和桑壯的想法，但這時機也恰到好處。反德西特空間的概念開始出現在某些模型中，關於膜的研究也日益興盛。就在 1998年，哈佛大學的阿卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)、紐約大學的德瓦利(Georgi Dvali)和史丹佛大學的迪摩波羅(Savas Dimopoulos，以上三人簡稱為ADD)，假設了一張三維膜存在於有兩個超大額外維度的空間中。
但無論如何，像RS、ADD或其他較新的模型，都將被日內瓦附近CERN的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC，於2009年正式啟用)檢驗。藍道爾興奮地說道：「若階級問題真的有解，在LHC所能達到的能量範圍內，我們便可發現某些徵兆。」這些徵兆可能是 重力子、超對稱粒子或曇花一現的微型黑洞。她又說：「就算我們不知道答案，LHC它也會告訴我們的。」
依照藍道爾的想法，我們可能是存在於一張三維膜上，但在我們的視界之外，似乎又存在著一個完全迥異的區域。我們對它還不夠了解。
【本文出自科學人2005年11月號】
關於宇宙黑洞的新學說 --- "磁場旋渦說"
《宇宙黑洞的真面目》
天文學家通過長期觀測發現，在宇宙中有一些引力非常大卻又看不到任何天體的區域，這種奇異天文現象的主要特徵是：1、這個區域有很強的磁場和引力，不斷吞 噬大量的星際物質，一些物質在它周圍的運行軌跡會發生變化形成圓形的氣體塵埃環；2、它有很大的能量，可以發出極強的各類射線輻射；3、由於它極大的引力作用，光線在它附近也會發生彎曲變化。
的確，通過觀測到的大量間接徵兆可以證實它的存在，卻無論如何沒能直接看到它。於是一些天文學家想像的認為它是一種恒星塌縮後，品質、密度很大的暗天體，美國物理學家惠勒給它取了一個有趣的名字 --- 黑洞。
在進入宇航時代的今天，世界各國已擁有各種先進的天文觀測設備，如大口徑配有極靈敏接受器的光學望遠鏡，大型射電天文望遠鏡，突破了地球大氣層包圍的哈伯 空間望遠鏡等。天文觀測已觸及到距地球 100億光年以外的遙遠天體，從河外星系到宇宙塵埃都可以一覽無遺，甚至像幾萬公里外一支小蠟燭那麼微弱的光也能觀測到，而唯獨對黑洞卻無能為力，確有些不合邏輯。如果它真是一種品質、密度很大，磁場、引力極強的"星球"，為什麼至今看不到它的廬山真面目呢?
原因很簡單，黑洞並不是一種實體星球，而是宇宙天體運動時產生的各種"磁場旋渦"現象，它的能量、射線輻射主要都是由磁場力作用產生的，因為它的構成物質 密度非常稀薄，光線發射極其微弱，所以根本無法在遠距離用光學儀器觀察到它的形狀，按其形態和性質來說它倒真是一個名副其實的"黑暗磁場旋渦洞"。
設想如果黑洞是一種物質構成密度非常大的"天體"，那麼，在黑洞與物質密度相對極小的宇宙空間兩者應該是有分界面的。根據光的反射、折射原理，當光投在兩種物質的分界面時會有反射和折射現象的，這一點已經從宇宙中所有不發光天體都能夠反光得到證實，無一例外。所以，從"恒星級黑洞"不能反射光線這一點說明，"恒星級黑洞"雖然有很強的吸引力，但是它的物質構成密度非常稀薄，還不足以達到反射光線的程度(並不是光線由於被它吸引無法脫離而不能反射)。
當光線與它相遇時，只能是穿它而過了，沒有明顯的光反射和折射現象。因此也就無法通過光學觀測直接看到它的形狀，而只能用其他天文觀測方式，通過"恒星級黑洞"急速旋轉運動中產生的極強各類射線輻射來證實它的存在。科學家通過哈伯望遠鏡上的高速光度計在 1992年對天鵝座X-1的一批觀察數據進行分析時，發現了兩個迅速衰減並很快消失的紫外線脈衝陣列，這種現象與理論預言的物質落進黑洞視界時 釋放輻射的特徵正相符合。
至於光線在黑洞附近會發生彎曲的現象，是因為光波本身就是一種頻率很高的電磁波，光現象本質就是一種電磁現象，所以，光線在黑洞附近由於受其磁場引力作用而發生彎曲現象是很自然的。
宇宙中一切天體都不是孤立存在的、所有物質之間都有千絲萬縷的相互內在聯繫。黑洞現象的產生也不是偶然的，而是在自然規律內物質迴圈演變過程中一個重要的環節。整個自然界是由不斷運動著的物質所組成，絕對靜止的物質是不存在的。物質運動必然會產生磁場，天體和磁場是不可分割的整體，只要天體存在，它周圍就一定有磁場存在。
各類物質結構由於運動方向的不同，運動速度的差異，會產生無數大小不一、強弱不同的磁場旋渦，這種磁場旋渦就是神秘的黑洞。大的空間物質結構產生大的磁場旋渦，如"星系級黑洞"；小的空間物質結構產生小的磁場旋渦，如 "恒星級黑洞"。
自然界決定物質能量的大小有兩個重要因素：一是物質的品質；二是物質的運動速度。由於磁場具有力和能的特徵，所以黑洞雖然構成物質密度很小，但因為它有極 快的旋轉運動速度，當組成它的物質凝聚向一個方向作有序運動時，便產生很大的能量和極強的引力。
宇宙中一些分散的呈氣態的氫、氧類物質和呈固態的硅、鐵類 塵埃物質，受黑洞吸引力作用，在黑洞附近運動方向發生變化，向其中心高速旋進，會形成圍繞黑洞中心運動的圓形氣體塵埃環。
"黑洞"雖然不能直觀地看到，但可以通過它向外發出的各類射線輻射現象提示它的形態。國外有報道，哈伯望遠鏡已拍攝到黑洞 周圍邊緣呈翹曲狀的塵埃圓盤，這就更證實了黑洞的旋渦性質和真實形態。
其實宇宙中這些各類黑洞的運動形態和形成原理就像我們用肉眼可以觀察到的許多自然渦流現象一樣。
如地球上大氣運動產生的熱帶氣體渦旋 --- 颱風，在颱風週邊是急速旋轉的氣流形成的急風暴雨區域，能量非常大，而在空氣渦流中心區域 --- "颱風眼"，由於空氣稀薄，壓力相對較小，對周圍產生很大吸引力，因此氣流不易進入，反而是風平浪靜的區域，從衛星圖上可以清晰地看到颱風的圓形旋渦狀雲 團。還有江河湖海中的水渦流也是圓形旋渦狀的，水渦流同樣有很大的能量和吸引力，當物體接近時會被吸引進漩渦之中。黑洞就像颱風、"水流漩渦"這 些可以直觀的渦流現象，是宇宙中物質運動的產物。
它的巨大能量和引力主要來自物質急速運動產生的磁場。黑洞中心是外界物質不易進入、有形物質極少的區域，所以，在"黑洞"的中心都是空白區域。因為它 對周圍物質的吸引力在各方向基本是均勻的，一般黑洞周圍物質運行的軌跡都是圓形旋渦狀的。由於黑洞物質分佈密度的不同，周圍還會伸出一些旋臂(如 可見的星系旋臂)，造成同方向輻射強弱程度不同的射線脈衝現象(即脈衝星)。
"恒星級黑洞" 在引力吸積過程中，物質的數量和密度不斷增加，磁場旋渦範圍會相應增大，能量和引力明顯加強，又會吸引更多的物質，如此像滾雪球一樣不斷發展。當"恒星級黑洞"周圍物質達到相當體積和密度時，對光的反射、折射作用會逐步增強，到了一定程度便發展成為可以通過光學望遠鏡直接觀察到的有形天體 --- 瀰漫"星雲"，正是從"恒星級黑洞"中孕育出早期的星球"星雲"。這種星雲多呈環狀，它的構成物質相對仍很稀薄，所以形狀非常模糊。隨著"星雲"體積不斷膨脹，便開始了幾十億年以上向"恒星"發展的演變進程。
宇宙中所有天體的存在形式和演變過程都是由自然規律所決定的，宇宙黑洞也不例外。一旦我們通過表面現象揭示出它的本質和與自然規律的內在聯繫，包括黑洞在內的各種奇異天象便不難解釋了。
作者：建一(此文原載《大眾科技報》2001年7月19日第7版)
作者部落格：http://blog.sina.com.cn/jianyi1151
暗能量, 黑洞及未來
2002年科學家宇宙探索新發現
http://tw.myblog.yahoo.com/noah-guan/article?mid=757&prev=3107&next=60&l=f&fid=129
146億年前,是一個點,體積小,質量大,溫度高。然後,這個點發生爆炸,並開始膨脹,溫度也隨之降低---宇宙就這樣形成了。
這是目前科學界中解釋宇宙起源的大爆炸理論。儘管如此,大爆炸理論只是搭好了研究的框架,框架裡諸多問題不是猶抱琵琶半遮面,就是依然懸而未解。
2002年,科學家們在宇宙探索領域諸如暗能量,黑洞,宇宙的最終命運等課題上都有了最新發現: 暗能量有了新的存在證據,並且研究顯示, 三分之二的宇宙可能由神秘的暗能量組成; 黑洞可能不論大小,都具有相同的波動規律, "缺失的一環"中型黑洞也終於找到了。此外,銀河系中心的確存在巨型黑洞,並且這個黑洞處於"飢餓"狀態。科學家還觀測到銀河系內一個"逃跑" 的黑洞; 對宇宙結局,科學家提出了循環論,即宇宙可能沒有開始,也沒有終結,而處於不斷的循環之中。
1. 暗能量: 引力的"對手"
蘋果為什麼會落地?人為什麼跳不離地球? 我們知道,這是因為存在引力的緣故。在宇宙大爆炸理論中,引力也發揮了作用,它使宇宙的膨脹速度減小。但科學家們最新觀測發現,現在宇宙實際上在不斷加速膨脹。這就是說,宇宙很有可能先減速,後加速膨脹,而且其中存在一種與引力作用相反的力把時空結構向外推。我們如 今稱之為負引力,也就是"暗能量"。
宇宙先減速後加速膨脹
宇宙真的是先減速,後加速膨脹嗎? 暗能量真的存在嗎?
超新星幫助科學家解決了這個問題。超新星是爆炸中的恆星,它發出的亮度是幾十億顆恆星亮度的總和。我們可以從它的亮度來判斷宇宙膨脹的速度。因此,如果是 在宇宙減速膨脹中誕生的星體,其發出的光到達地球時,該星體和地球之間的距離 由於膨脹減速的原因 要比預計的近,因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。然後可根據這一亮度差異來判斷宇宙處於減速膨脹階段。
1997年,科學家觀測到了一顆編號為 "1997ff"的超新星。對光線的相對強度進行的研究表明,它爆發於 110億年前, 是迄今發現的最遙遠的超新星。當時宇宙的年齡只有現在的四分之一。這顆超新星亮度是預計正常亮度的兩倍,而且比距離更近,更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家據此判斷,"1997ff" 爆炸時宇宙處於減速膨脹階段。
這一發現不僅證實了宇宙膨脹先減速後加速,也證明宇宙中確實存在暗能量。暗能量和引力兩者綜合決定宇宙的膨脹速度。引力如膠水一樣,試圖把物質結合在一 起; 暗能量與引力相反,試圖將物體分開。據推測,大約在 60億年前,引力在與暗能量的較量中落敗,暗能量佔據上風,宇宙進入加速膨脹狀態。
暗能量佔宇宙的三分之二
暗能量的概念最早是由愛因斯坦提出來的,但後來愛因斯坦把這個概念 說成是他科學生涯中的大錯誤,因為它破壞了廣義相對論的優美性。從那以後,暗能量成了科學家爭論的話題。
美國《發現》雜誌提出了物理學11大困擾,其中一大困擾就是暗能量。一般認為,暗能量不是物質,而更接近能量。根據計算,常規物質和看不見的物質---暗物質加起來 並不足以構成整個宇宙,剩餘成份就是暗能量。
那暗能量佔據宇宙成份的多大比例?科學家猜測說,可能達到三分之二。這一猜測近日得到了證實。科學家這一次使用的是類星體。
類星體是宇宙中的"四不像", 體積相對較小而能量巨大。它在一般光學觀測中類似恆星,但實際與恆星並不相同,因此被稱為類星體。
一些質量巨大的天體會導致經過它們附近的光線等發生彎曲,使遙遠天體的成像產生扭曲和變形,這一原理與光學透鏡類似,因而被稱為 "引力透鏡"效應。借助設在英國和美國的一些大型射電望遠鏡,科學家們共對數千個遙遠類星體進行了觀測,結果發現平均每 700個類星體中就有一個受到 "引力透鏡"的影響,其射電信號會發生彎曲,最終出現兩個以上"虛像"。科學家們認為,這也許只有暗能量才能解釋。他們的進一步分析表明,在假設暗能量佔到宇宙成份的三分之二時,理論計算與實際觀測的結果最為吻合。
這一計算過程我們暫且不去深究。暗能量如此奇怪, 以至於甚至連負責這一研究的英國曼徹斯特大學的伊恩‧布朗說: "宇宙由暗物質所統治﹐這想法太奇怪了。值得大家去仔細研究驗證。"
任何給定的空間暗能量都很小
我們為什麼感受不到暗能量? 科學家說,在任何一個給定的空間裡,暗能量的量很小,因此它的作用在日常生活中不能被感覺出。但在廣漠的宇宙空間中,其效果將非常強大,足以使星系和星系簇 分離開。
2. 黑洞: 謎一樣的天體
沒有一種天體比黑洞更能說明引力的威勢了。黑洞不是黑的,也不是一個空洞。它是一個實在的天體。在很多科普文章中,它被冠以 "怪物"的暱稱。黑洞之所以能在宇宙中"橫行霸道",是因為它擁有強到連光都不能逃脫束縛的引力武器。
黑洞能實現時空轉換
黑洞引起人們興趣的一個重要原因是,時間和空間在黑洞中消失,這意味著通過黑洞有可能將我們現在的時間和空間連接另外一個時間和空間,時間旅行有可能實現。
黑洞也會"消化不良"
黑洞還有許多其他特性。1999年,科學家發現,如果食物太多,黑洞有可能會 "因噎廢食" --- 引力強大無比的黑洞,可能並非擁有所假設的吞噬一切的 "胃口"。模擬結果發現,物質環在落入黑洞過程中,先被黑洞吞下的部份還會不斷被吐出,最終使得只有很少一部份物質環真正進入黑洞。科學家們認為,這一結 果顯示黑洞並不像假設的那樣能吞下喂給它的一切食物,並且強行塞給黑洞大量食物還很可能會將它噎住。
黑洞都唱"同一首歌"
黑洞不論大小,不論質量,都有著相同的波動規律,如同快慢不同地演唱音調相同的 "同一首歌"。這一特性是科學家 對由超巨黑洞和小質量黑洞發出的X射線輻射 進行比較研究時發現的。超巨黑洞一般存在於星系的中心, 質量達到太陽的數百萬甚至數十億倍。小質量黑洞質量與太陽基本處於一個數量級,主要由質量相當於 太陽10倍左右的恆星 發生超新星爆炸形成。
科學家發現中型黑洞
到底有沒有中型黑洞呢? 科學家找到這中間 "缺失的一環"。這次的功能應歸功於哈伯太空望遠鏡,它觀測到了兩個中型黑洞, 一個位於飛馬星座的 M15球狀星團,距地球 3.2萬光年, 質量為太陽的4000倍。另一個黑洞位於仙女星系的 G1星團中, 質量相當於 2萬個太陽, 距離地球 220萬光年。M15和 G1這兩個星團都包含著大量緊湊排列的恆星, 其中一些恆星相當古老,誕生於距今 100多億年前。新觀測到的兩個中等質量黑洞都位於球狀星團而非星系之中。
超巨黑洞位於星系中心
超巨黑洞位於星系中心,據推測每個星系都有,質量一般約為星系總質量的 0.5%。目前,關於超巨黑洞的形成主要有兩種理論。
一種觀點認為,它可能是隨著星系的誕生一次性產生的。但也有推測說﹐超巨黑洞是以質量更小的黑洞為基礎形成的,後者就好比是一些"種子", 隨著時間的推移進化成了巨型黑洞。
銀河系巨型黑洞質量為太陽的 370萬倍,歐洲科學家宣佈了銀河系中心存在超巨黑洞的最佳證據。他們說,過去 20年中,科學家們一直在觀測銀河系中心一些星體的活動情況,尤其對一顆名為 S2的星體的運行軌道進行了跟蹤研究,最終得出結論: S2附近確實存在一個巨型黑洞。質量是太陽 7倍的 S2, 以每小時1.8億公里的高速每 15.2年繞銀河系中心一周。之所以如此高速, 是因為它週圍存在黑洞,害怕被黑洞吞噬。經過計算,這一黑洞距地球2.6萬光年,質量是太陽的 370萬倍。
銀河系中心黑洞每年食量不足地球質量的1%
銀河系中心黑洞或許正處於飢餓狀態。科學家原先預測,它每年吞噬約相當於十倍於地球質量的食物。但實際上,它每年吞噬食物還不足地球質量的百分之一。黑洞"食量"是根據它吞噬食物時發出X射線的強弱程度計算出來的。科學家還提出,如果黑洞獲得了源源不斷的食物供給,就可能從相對安靜的狀態中醒來,處於活躍狀態中。
人類將能製造微型黑洞
大量微型黑洞不久將能在實驗室裡製造出來。這一任務將由大型強子對撞機完成。大型強子對撞機LHC於2009年完工, 是世界最大的粒子加速器。用它長達 27公里的環形隧道加速粒子,然後使這些粒子相撞, 就能創造出與宇宙大爆炸之後萬億分之一秒時的狀態類似的條件,同時以每秒1個的速度製造大量微小的黑洞,每個體積不到一個原子核的百萬分之一。之所以能製造出微型黑洞,是因為大型強子對撞機能把大量能量壓縮在很小的空間裡,但這些黑洞的消逝也可能像雪花消融一樣容易。
3. 對宇宙結局的猜測
儘管不希望出現這一天,但科學家還是忍不住要討論一下宇宙的結局。它會是什麼樣呢? 現在存在 3種觀點。
膨脹論: 宇宙不斷膨脹下去
這是霍金等人所持有的觀點。認為宇宙將永遠膨脹下去,不斷擴大。最終我們將看到,星體會離我們越來越遙遠,也越來越黯淡。
這種理論的證據之一是氘元素。氘是氫元素的同位素之一,原子核中包括一個質子和一個中子。目前宇宙中所能探測到的所有氘元素,據認為都是在宇宙大爆炸幾分鐘後的原始核聚變過程中產生的。除了大爆炸之外,目前還沒有發現宇宙中存在其他的氘元素源。
1999年澳大利亞,荷蘭等國科學家組成的小組,對位於距地球約 1500光年的獵戶星雲區域進行了測量。科學家們通過對一種氘氫分子進行分析測算後發現,在獵戶星雲中高度活躍的恆星形成區,氘原子與氫原子的比例為1比 10萬。這與在宇宙其他一些區域獲得的測量結果基本一致。
這些科學家們說,根據被普遍接受的宇宙理論,宇宙中正常物質總量的多少,決定著宇宙最終將無限制膨脹下去,還是會在膨脹到一定程度時轉為收縮。而氘元素密度與正常物質量直接相關。上述測量結果說明的是,宇宙中正常物質總量無法遏止宇宙無限膨脹的趨勢。
逆轉論: 宇宙會在一兩百億年後凝聚到一個點
按照這種觀念,宇宙的膨脹速度不僅會減慢,而且會逆轉回去,將所有的物質擠壓,最後濃縮成一個"癥結點",並在劇烈的大爆炸中消亡。英國《新科學家》就刊登了一篇這樣觀點的文章。
這篇文章說,大部份暗能量理論認為,宇宙的加速膨脹是在全宇宙範圍的 "標量場"的排斥作用下進行的,這種標量場在整個宇宙空間有著統一的量級。而過去的看法認為﹐隨著宇宙的擴展,上述能量場的排斥力將逐漸減小,最終降至零。儘管這可能使宇宙的擴展速度減慢,但實際上宇宙永遠不會停止膨脹。可這種看法可能是不正確的。根據超重力的一些理論, 標量場的暗能量可能不僅僅是降至零,它還將變為負數,並可能降至負無窮大。這將令宇宙的擴展速度減緩,然後轉向相反方向,使空間和時間凝聚到一點,在一次大爆炸中消亡。
這篇文章還給出了宇宙消亡的時間﹐它是今後 100億到200億年。
循環論: 宇宙是輪迴的
這是科學家最近提出來的。該理論認為,宇宙將永遠不會結束,而是處於從生長到消亡的循環過程中。大爆炸既不是宇宙的起點也非終點,而只是宇宙不同階段的 "過渡"。
美國普林斯頓大學的天文學教授保羅‧斯坦哈特與英國劍橋大學教授尼爾‧圖羅克共同提出了這個觀點。他們說,如今的宇宙是在上個宇宙的塵埃中誕生。
此外,還有理論認為,人類所在的宇宙之外還有另外一個無限大的平行宇宙。這兩個宇宙在多重維度 (我們所處的空間只有四個維度) 中互相區分開來。
兩位科學家根據現有理論計算出,在這兩個宇宙之間有一個力場.可以將兩個宇宙呈週期性地互相吸引,爾後又再排斥開來, 如同人們鼓掌時兩隻手的動作一般. 新理論認為, 當兩個宇宙互相碰撞的時候,第五維度暫時消失, 這時就會發生一次大爆炸. 新的物質世界在原有消散的物質塵埃中被重新 "創造"出來. 於 1968年最早提出弦論的意大利科學家 加布裡埃萊.韋內齊亞諾 對新理論表示接受, 認為該理論將使人們認識到 "大爆炸只是某些事件的果, 並非所有事件的因."
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