從弦理論和M理論看黑洞

如果沒(méi)有引力的量子力學(xué)體系，我們不可能認(rèn)識(shí)發(fā)生在宇宙大爆炸時(shí)刻和統(tǒng)治著黑洞內(nèi)部的那些極端的物理?xiàng)l件窄锅。隨著弦理論的發(fā)現(xiàn)创千，我今天有希望揭開(kāi)這些深藏的秘密，今天的內(nèi)容，我們將從弦理論和M理論來(lái)認(rèn)識(shí)黑洞和宇宙的起源追驴。

黑洞是一種理論預(yù)言的天體寓涨，是空間中的強(qiáng)引力區(qū)域，其逃逸的速度等于光速氯檐，因此不會(huì)有光輻射逸出而得名戒良。黑洞具有一個(gè)封閉的視界，外來(lái)的輻射或者物質(zhì)可以進(jìn)入視界冠摄，但是視界內(nèi)人輻射和物質(zhì)不能逃逸出去糯崎。

黑洞和基本粒子看起來(lái)是完全不一樣的兩樣?xùn)|西。黑洞我們常常描述為一個(gè)無(wú)限大的物體河泳，而基本粒子則是一個(gè)無(wú)限小的物體沃呢。然而，物理學(xué)家惠勒發(fā)現(xiàn)任何兩個(gè)黑洞有相同的質(zhì)量拆挥、力荷和自轉(zhuǎn)速度薄霜。基于這些特性纸兔，一些物理學(xué)家猜想惰瓜。黑洞可能本來(lái)就是一個(gè)巨大的基本粒子。

在弦理論中汉矿，當(dāng)一個(gè)卡-丘空間經(jīng)過(guò)空間破裂錐形變換時(shí)崎坊，原來(lái)的大質(zhì)量黑洞會(huì)越來(lái)越輕，最后轉(zhuǎn)化成一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的粒子洲拇，就像一個(gè)零質(zhì)量的光子奈揍。也就是一根以某種形式振動(dòng)的弦，這樣赋续，弦理論將黑洞和基本粒子直接聯(lián)系在一起男翰。

黑洞有熵嗎？

黑洞里是無(wú)序還是有序的呢纽乱？這個(gè)問(wèn)題要涉及到黑洞熵蛾绎。眾所周知，熵是一個(gè)物理學(xué)上用來(lái)描述無(wú)序和隨機(jī)的度量值迫淹。1970年秘通，物理學(xué)家提出了驚人的思想：黑洞可能有熵，而且量還很大敛熬，也就是肺稀，黑洞中是高度的無(wú)序狀態(tài)。他認(rèn)為应民，當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入黑洞時(shí)话原，它的熵會(huì)充分增大夕吻，足以抵消我們看到的黑洞外熵的減少。后來(lái)經(jīng)過(guò)一系列論證繁仁，多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為貝克斯坦的思想是不可能正確的涉馅，因?yàn)楹诙此坪醣驹撌钦麄€(gè)宇宙中最有序、攜帶電荷和最有組織的事物黄虱。

黑洞有多黑稚矿？

黑洞的逃逸速度等于光速，所有進(jìn)入黑洞的事物將不會(huì)逃逸出去捻浦。所以晤揣，可以想象黑洞當(dāng)然是黑的，不會(huì)發(fā)出任何東西朱灿。另外昧识，霍金認(rèn)為，如果黑洞是無(wú)熵的盗扒，那么被仍進(jìn)去的事物的熵就會(huì)消失跪楞。不過(guò)1974年，霍金發(fā)現(xiàn)侣灶，黑洞并不完全是黑色的甸祭。他認(rèn)為黑洞是以量子力學(xué)的方式發(fā)出輻射，黑洞的引力可以將能量注入虛光子炫隶，就是說(shuō)能把兩個(gè)粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi)淋叶，使其中一個(gè)掉入黑洞。但是另外一個(gè)粒子則可以從黑洞中吸收能量和動(dòng)力伪阶，從而飛離黑洞〈ο樱霍金認(rèn)為栅贴，如果從遙遠(yuǎn)的地方觀察黑洞，可以看到一些虛光子對(duì)分裂的最終結(jié)果是從黑洞中發(fā)射出一個(gè)光子熏迹，這樣說(shuō)明其實(shí)黑洞并不是完全黑的檐薯。另外，霍金發(fā)現(xiàn)注暗，黑洞其實(shí)還是溫度的坛缕，雖然溫度非常低，溫度大約比絕對(duì)零度高一億分子一度捆昏，而大質(zhì)量的黑洞的溫度可以達(dá)到百萬(wàn)分之一度以下赚楚，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了黑洞熵的存在。

但是骗卜，黑洞至今還有一些未解之謎宠页，一個(gè)是關(guān)于黑洞決定論概念的左胞，另外一個(gè)是關(guān)于黑洞中心點(diǎn)的時(shí)空本性的，有科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)黑洞中心可能隱約地連接著另外一個(gè)宇宙的入口举户，簡(jiǎn)單說(shuō)就是烤宙，我們的時(shí)間在哪里結(jié)束，相連的另外一個(gè)宇宙的時(shí)間就從哪里開(kāi)始俭嘁。這兩個(gè)問(wèn)題太過(guò)于抽象躺枕，這里就不展開(kāi)了。

宇宙學(xué)的沉思

人類自古以來(lái)就渴望認(rèn)識(shí)宇宙的起源供填。也許沒(méi)有哪個(gè)問(wèn)題像這樣超越文化和時(shí)代分隔屯远，它喚起祖先的想象，也引發(fā)今天宇宙學(xué)家的沉思捕虽。

人口渴望解釋為什么會(huì)有一個(gè)宇宙慨丐，它是如何成為我們今天看到的樣子，它是怎么演化的泄私？今天人們接受的宇宙學(xué)理論房揭，認(rèn)為宇宙在最初的瞬間經(jīng)歷過(guò)最極端的條件：巨大的能量、極高的溫度和極大的密度晌端。我們的宇宙源于150億年前的一次大爆炸捅暴。真的是這樣嗎？

宇宙大爆炸的理論起源于愛(ài)因斯坦完成廣義相對(duì)論的15年后咧纠。弗里德曼發(fā)現(xiàn)了宇宙從一個(gè)無(wú)限壓縮的狀態(tài)爆炸出來(lái)的蓬痒，而且現(xiàn)在仍然處于爆炸引起的膨脹中。5年以后漆羔，哈勃望遠(yuǎn)鏡通過(guò)觀察了幾十個(gè)星系梧奢，證實(shí)了宇宙仍然處于膨脹之中。

讓我們來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下宇宙大爆炸的過(guò)程：

宇宙大爆炸后的10的負(fù)43次方秒演痒，普朗克時(shí)間形成亲轨，宇宙的三維空間形成，其余的維度還保持在原來(lái)的普朗克尺度里鸟顺。

隨后時(shí)間膨脹惦蚊、冷卻、溫度下降讯嫂，大約十萬(wàn)分之一秒后蹦锋，夸克可以三個(gè)成團(tuán)聚集在一起，形成了質(zhì)子和中子欧芽。

百分子一秒后莉掂，周期表里最輕的一些元素的核也夠條件從冷卻的粒子等粒子體重凝結(jié)出來(lái)。

接下來(lái)3分鐘里渐裸，宇宙逐漸冷卻到10億開(kāi)巫湘，出現(xiàn)最多的核是氫和氦装悲，還有一些鋰。這就是所謂的原始核合成時(shí)期尚氛。

接下來(lái)幾十萬(wàn)年诀诊，也沒(méi)發(fā)生什么特別的事情。宇宙繼續(xù)膨脹阅嘶、溫度繼續(xù)冷卻属瓣。當(dāng)溫度降低到幾千開(kāi)時(shí)，電子流慢慢流向原子核讯柔，原子核捕捉了它們抡蛙，第一次形成了電中性的原子。這是一個(gè)重要的時(shí)刻魂迄，大體上說(shuō)粗截，這一刻開(kāi)始，宇宙變得透明了捣炬。宇宙充滿了帶點(diǎn)的等離子體熊昌，有的帶正電，如原子核湿酸，有的帶負(fù)電婿屹，如電子。只與帶電體發(fā)生相互作用的光子推溃，落在深深的帶電粒子的汪洋里昂利，不停歇地碰撞擠壓，要么被偏轉(zhuǎn)铁坎，要么被吸收蜂奸，慢慢地宇宙開(kāi)始從混濁變得清晰。

約10億年以后厢呵，宇宙的基本從沸騰的爆炸狀態(tài)安靜下來(lái)窝撵，星系、恒星和行星終于開(kāi)始一個(gè)個(gè)從原初元素的引力束縛堆里產(chǎn)生出來(lái)襟铭。

在大爆炸150億年后的今天，我們也來(lái)了短曾，在驚嘆宇宙壯麗的同時(shí)寒砖，也驚訝我們自己能一點(diǎn)點(diǎn)從樹(shù)立起一個(gè)合理的而且經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的宇宙起源理論。

大爆炸理論看似精確和嚴(yán)密嫉拐，但是還是有些問(wèn)題有待解決哩都，比如為什么宇宙的空間溫度都是相同的，相隔如此遙遠(yuǎn)的空間區(qū)域中沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)能量傳遞和交換婉徘，解釋不了為什么它們具有完全相同的溫度漠嵌。物理學(xué)家把這個(gè)解釋不了宇宙大范圍的溫度均勻性的問(wèn)題稱之為：視界問(wèn)題咐汞。視界問(wèn)題的本質(zhì)是，為了讓宇宙中任意兩個(gè)遙遠(yuǎn)距離的區(qū)域靠近儒鹿，我們必須回到時(shí)間的開(kāi)始化撕。而且物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在宇宙正處于暴脹之中约炎，形成了暴脹的宇宙學(xué)模型植阴。

暴脹宇宙一種更新版的大爆炸理論，認(rèn)為宇宙非常年幼時(shí)圾浅，曾經(jīng)過(guò)一個(gè)暴脹階段掠手。地點(diǎn)不同，溫度會(huì)有所不同狸捕。但是如果只考慮初期宇宙中極小的一塊區(qū)域喷鸽，則可以認(rèn)為這個(gè)小區(qū)域具有均勻的溫度。如此小的一塊區(qū)域灸拍，在它還來(lái)不及非均勻化的一瞬間如果就急劇膨脹為很大的宇宙的話做祝，那么在這個(gè)宇宙中的溫度自然也就是基本均勻的。按照這種思路株搔，那么剖淀，在現(xiàn)在的宇宙中觀測(cè)到來(lái)自宇宙一切方向的背景輻射所對(duì)應(yīng)的溫度基本一致，也就不足為怪纤房。

不管是標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論還是暴脹的宇宙理論纵隔，我們都沒(méi)辦法解釋事物到底是怎么開(kāi)始的，我們也不知道我們的宇宙學(xué)理論是否合理炮姨。關(guān)于弦理論和M理論捌刮，我們今天的認(rèn)識(shí)還非常膚淺，不能決定一個(gè)“包羅萬(wàn)象”的理論舒岸，也不能決定它自己的宇宙學(xué)初始條件绅作。當(dāng)然也就不能把它提到物理學(xué)定律的高度。我們還將繼續(xù)探尋宇宙的終極理論到底是什么蛾派。我們的宇宙有可能是一個(gè)巨大天空的一個(gè)小部分俄认，汪洋大海宇宙島中的一個(gè)，因此也有科學(xué)家提出多重宇宙的概念洪乍，但是多重宇宙的假設(shè)至少可以讓我們更加寧?kù)o眯杏，別總想著去解釋我們的宇宙為什么會(huì)是這個(gè)樣子。更激進(jìn)的思想來(lái)自于賓夕法尼亞州立大學(xué)的斯莫林壳澳，他提出每一個(gè)黑洞都是一粒新宇宙的種子岂贩，新宇宙從種子爆發(fā)出來(lái)，但永遠(yuǎn)藏在黑洞視界的背后巷波。

但是不管怎樣萎津，引力的量子理論經(jīng)過(guò)超弦理論的發(fā)展卸伞，為我們帶來(lái)了信心和希望，我們相信锉屈，經(jīng)歷千辛萬(wàn)苦之后荤傲，我們一定能帶著某些最深沉的問(wèn)題的答案，重新走出來(lái)部念。