弦理論指出，大爆炸并非宇宙的起點(diǎn),，而是其前一存在階段的結(jié)果,。

     大爆炸真的是時(shí)間的起點(diǎn)嗎？抑或宇宙在大爆炸之前就已經(jīng)存在,？如果在10年前提出這樣的問(wèn)題,，那簡(jiǎn)直是對(duì)宇宙學(xué)大逆不道了；絕大多數(shù)宇宙學(xué)家會(huì)認(rèn)為,，思考 大爆炸以前的時(shí)間,，就像打聽(tīng)北極以北的地方在哪里一樣,。然而，理論物理學(xué)的發(fā)展,，尤其是弦論的出現(xiàn),，大大改變了宇宙學(xué)家的視角，大爆炸前的宇宙已成了宇宙 學(xué)的研究前沿,。

     探索大爆炸之前發(fā)生過(guò)什么的新思潮,，其實(shí)只是數(shù)千年來(lái)的理性鐘擺的最新一次擺動(dòng),。幾乎在每一種文明中,，終極起源的問(wèn)題都會(huì)讓哲學(xué)家和神學(xué)家忙個(gè)沒(méi)完沒(méi)了。 它所關(guān)懷的問(wèn)題讓人應(yīng)接不暇,，其中著名的一個(gè)出現(xiàn)在Paul Gaugin（高更）1897年的名畫(huà)中： “我們從哪里來(lái),？我們是什么？我們往哪里去,？”這幅作品描繪了生老病死的輪回：每個(gè)人的起源,、身份與宿命，而這份對(duì)個(gè)人的關(guān)懷,，直接連系著宇宙的命運(yùn),。人 類可以尋根，追溯自身的血統(tǒng),，穿越世世代代,，回到我們的動(dòng)物祖先，再溯及生命的早期形式和初始生命,，然后回到原生宇宙中合成的元素,，再到更早期空間中的飄 渺能量。我們的譜系樹(shù)是否可以這樣一直無(wú)休止地延伸下去呢,？抑或它會(huì)終止于某處,？宇宙是否也像人類一樣，并非永恒的,？

     古希臘人曾就時(shí)間的起源有過(guò)激烈的爭(zhēng)論,。亞里斯多德主張“無(wú)”不能生“有”，而站在了時(shí)間“沒(méi)有起點(diǎn)”的陣營(yíng),。如果宇宙不能“無(wú)中生有”,，那它過(guò)去必然是 一直存在的?；谶@些理論,，時(shí)間必定是朝著過(guò)去和未來(lái)兩端無(wú)限延伸。而基督教神學(xué)家則傾向于相反的觀點(diǎn),。奧古斯丁堅(jiān)決主張,，神存在于空間和時(shí)間之外,，而且 創(chuàng)造了時(shí)空和整個(gè)世界。有人問(wèn)道：“神在創(chuàng)造這個(gè)世界之前在做什么,？”奧古斯丁答道：“時(shí)間本身就是神創(chuàng)造的產(chǎn)物之一,，所以根本就沒(méi)有‘之前’可言！”

     愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,，引導(dǎo)當(dāng)代宇宙學(xué)家得出了幾乎一樣的結(jié)論,。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間和時(shí)間是柔軟可塑的實(shí)體,。在大尺度上,，空間本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，會(huì)隨時(shí)間 而膨脹或收縮,；它承載物質(zhì)的方式,，就像海浪承載浮物一樣。1920年代,，天文學(xué)家觀測(cè)到遙遠(yuǎn)的星系正在彼此遠(yuǎn)離,，從而證實(shí)宇宙正在膨脹。接著,，物理學(xué)家 Stephen Hawking（霍金）與Roger Penrose（彭若斯）在1960年代證明,，時(shí)間不可能一直回溯下去。如果你把宇宙歷史一直往回倒退,，所有的星系終會(huì)擠到一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)（稱為即奇點(diǎn)） 上,，這與它們掉進(jìn)黑洞的意思差不多。每個(gè)星系或其前身都被壓縮到零尺寸,，而密度,、溫度和時(shí)空曲率等物理量則變成無(wú)窮大。奇點(diǎn)就是宇宙萬(wàn)物的起點(diǎn),，超過(guò)這一 界限,，我們的宇宙譜系樹(shù)就無(wú)法再往前延伸了。

宇宙是均勻的,？ 

     這個(gè)無(wú)法避免的奇點(diǎn),，給宇宙學(xué)家?guī)?lái)了令人不安的嚴(yán)重問(wèn)題。特別是,，奇點(diǎn)與宇宙在大尺度上所展示的高度均勻性及各向同性似乎有矛盾,。由于宇宙在大尺度上到 處都相同，因此在相距遙遠(yuǎn)的區(qū)域之間,，必以某種方式傳遞信息,，以協(xié)調(diào)彼此的性質(zhì)。然而,，這與舊的宇宙學(xué)規(guī)范相抵觸,。 

     具體來(lái)說(shuō),，不妨想一下從宇宙微波背景輻射釋放后，這137億年來(lái)發(fā)生的事情：由于宇宙的膨脹,，星系間距離增大了1000倍,，而可觀測(cè)宇宙的半徑，則增大了 10萬(wàn)倍之多（由于光速超過(guò)宇宙膨脹速度）,。我們今天看到的宇宙,，有很大一部分是我們?cè)?37億年所看不到的。的確,，在宇宙歷史上,，現(xiàn)在那些來(lái)自最遙遠(yuǎn)星 系的光，還是第一次到達(dá)銀河系,。 

     盡管如此,，銀河系與那些遙遠(yuǎn)星系的性質(zhì),，竟然基本上是一樣的,。這就好比你參加一個(gè)聚會(huì)，發(fā)現(xiàn)自己穿的衣服與十多位好友的一模一樣,。如果只有兩人衣著相同,， 用巧合還可以解釋得過(guò)去?？墒侨绻畮讉€(gè)人衣著都相同,，那八成是他們事先約好了。在宇宙學(xué)中,，這個(gè)數(shù)字不是十幾個(gè),，而是數(shù)萬(wàn)個(gè)——這是全天域微波背景中的 天區(qū)數(shù)量，它們彼此獨(dú)立,，但統(tǒng)計(jì)上卻完全等同,。 

     一種可能性是，這些空間區(qū)域誕生伊始便被賦予了相同的性質(zhì),，換言之,，均勻性只不過(guò)是個(gè)巧合。然而,，物理學(xué)家想出了兩種更自然的途徑來(lái)擺脫僵局：讓早期宇宙要么比標(biāo)準(zhǔn)宇宙小得多,，要么老得多。任一條件（或者兩者一起）,，都有可能實(shí)現(xiàn)各個(gè)空間區(qū)域之間的相互聯(lián)系,。 

     當(dāng)前最流行的是第一種途徑。假設(shè)宇宙在早期歷史中曾經(jīng)歷一次快速膨脹,，稱為暴脹,。在暴脹之前,，星系或其前身全都緊密地?cái)D在一起，因此可以容易地協(xié)調(diào)它們的 性質(zhì),。在暴脹階段,，由于光速趕不上暴脹的速度，它們便彼此失去了聯(lián)系,。暴脹結(jié)束后,，膨脹速度開(kāi)始放慢，因此各星系間又逐漸恢復(fù)了聯(lián)系,。 

     物理學(xué)家將暴脹所迸出的能量,，歸因于大爆炸之后約10*-35秒一個(gè)新的量子場(chǎng)“暴脹子”中所儲(chǔ)存的勢(shì)能。勢(shì)能與靜質(zhì)能和動(dòng)能不同,，它可以產(chǎn)生引力排斥效 應(yīng),。通常的物質(zhì)引力會(huì)減慢宇宙膨脹，但暴脹子卻會(huì)加速宇宙膨脹,。暴脹理論于1981年問(wèn)世,，至今已經(jīng)解釋了眾多的精確觀測(cè)結(jié)果[參見(jiàn)本刊1984年第9期 Alan H·Guth與Paul J·Steinhardt所著《爆脹宇宙》和2004年第4期的專題報(bào)道《打開(kāi)宇宙的四把鑰匙》]。不過(guò),，還有一系列潛在的理論問(wèn)題沒(méi)有解決,，首當(dāng)其沖的 是，暴脹場(chǎng)子究竟是什么,？以及如此巨大的初始勢(shì)能從何而來(lái),？ 

     第二種途徑較不為人所知，那就是避開(kāi)奇點(diǎn),。如果時(shí)間不是始于大爆炸,，如果在目前的膨脹開(kāi)始之前，宇宙就已經(jīng)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間了,，那么物質(zhì)就有充裕的時(shí)間把自己的分布安排得比較平滑,。因此研究人員已開(kāi)始重新檢視導(dǎo)出奇點(diǎn)的推導(dǎo)過(guò)程。 

     推導(dǎo)過(guò)程中假設(shè)相對(duì)論始終有效,，看來(lái)是大有問(wèn)題的,。在接近一般認(rèn)定的奇點(diǎn)時(shí)，量子效應(yīng)必定越來(lái)越重要,，甚至起到主導(dǎo)的作用,。正統(tǒng)的相對(duì)論沒(méi)有考慮到這類效 應(yīng)，因此,，認(rèn)定奇點(diǎn)不可避免,，無(wú)疑是過(guò)份相信了相對(duì)論。要弄清真正發(fā)生的情況，物理學(xué)家必須把相對(duì)論納入到量子引力理論中,。這個(gè)任務(wù)讓愛(ài)因斯坦以后的物理 學(xué)家傷透腦筋,，直到1980年代中期，進(jìn)展還幾乎等于零,。

弦論的革命

     如今,，有兩個(gè)好方案出現(xiàn)了。第一個(gè)叫“圈量子引力”,，它完整保留了愛(ài)因斯坦理論的精髓,，只是改變了欲符合量子力學(xué)條件的程序[參見(jiàn)本刊2004年第3期 Lee Smolin所著《量子化時(shí)空》一文]。過(guò)去幾年中,，圈量子引力的研究者取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,，獲得了非常深刻的認(rèn)識(shí)。然而,，或許對(duì)傳統(tǒng)理論的革命不夠深入,， 因而無(wú)法解決引力量子化的根本問(wèn)題。類似的問(wèn)題在1934年也出現(xiàn)過(guò),，當(dāng)時(shí)費(fèi)米（Enrico Fermi）提出了他的弱核力有效理論,，令粒子物理學(xué)家大傷腦筋。所有建立量子費(fèi)米理論的努力,，全都悲慘地一無(wú)所獲,。結(jié)果真正需要的,，并不是新的枝巧,，而 是在1960年代后期，格拉肖（Sheldon L·Glashow）,、溫伯格（Steven Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）的電弱理論所帶來(lái)的根本翻修,。

     第二個(gè)就是弦論，我認(rèn)為比較有前途,。弦論對(duì)愛(ài)因斯坦理論進(jìn)行了真正的革命性改造,，本文將著重討論；盡管圈量子引力的支持者聲稱,，他們也得出了許多相同的結(jié)論,。 

     弦論萌生于1968年，那是我用于描述核子（質(zhì)子和中子）及其作用力的模型,。盡管在問(wèn)世之初引起不小的轟動(dòng),，這一模型最終還是失敗了，讓位給了量子色動(dòng)力 學(xué),。后者用更基本的夸克來(lái)描述核子,，而弦論就被舍棄了。夸克被禁錮在質(zhì)子或中子內(nèi),，彼此就好似用橡皮弦把它們拴在一起?，F(xiàn)在回顧起來(lái)，最初的弦論其實(shí)已經(jīng) 抓住了核子世界中弦的要素,。沉寂一段時(shí)間之后,，弦論又以結(jié)合廣義相對(duì)論和量子理論的姿態(tài)，東山再起了,。 

     弦論的核心概念,，是基本粒子并非點(diǎn)狀物，而是無(wú)限細(xì)的一維實(shí)體,，也就是弦,。在基本粒子龐大的家族中，每種粒子都有自己的特性,，這反映在一根弦有多種可能的 振動(dòng)模式上,。這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的理論，如何能夠描述粒子及其作用力的復(fù)雜世界呢,？答案可以在我們所說(shuō)的“量子弦魔術(shù)”中找到,。一旦把量子力學(xué)套用到振動(dòng)的 弦（與小提琴弦沒(méi)兩樣，只不過(guò)其上的振動(dòng)以光速傳播）上面,，嶄新的性質(zhì)便出現(xiàn)了,。所有這些性質(zhì)，對(duì)于粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)具有深刻的啟示,。 

     首先,，量子弦的尺度有限。如果不考慮量子效應(yīng),，一根小提琴弦可以一分為二,，再一分為二，這樣一直分割下去,，直至最后變成一些無(wú)質(zhì)量的點(diǎn)狀粒子,。但是分割到 一定程度，海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理就會(huì)介入,，防止最輕的弦被分割到10*-34米以下,。這個(gè)不能再分割的長(zhǎng)度量子，用ls表示,，是弦論引入的一個(gè)全新的自然常 數(shù),，與光速C和普朗克常數(shù)h并列。它在弦論的幾乎所有方面都起著決定性的作用,，為各種物理量設(shè)定了上下限,，防止它們變成零或無(wú)窮大,。 

     其次，就算沒(méi)有質(zhì)量的量子弦,，也可以有角動(dòng)量,。在經(jīng)典物理學(xué)中，角動(dòng)量是繞軸旋轉(zhuǎn)的物體所具有的一種性質(zhì),。計(jì)算角動(dòng)量的公式是速度,、質(zhì)量以及物體到轉(zhuǎn)軸距 離三者之乘積，因此無(wú)質(zhì)量的物體不可能具有角動(dòng)量,。但在微觀世界中,，由于存在量子漲落，情況有所不同,。一根微小的弦即使沒(méi)有任何質(zhì)量,，也可以獲得不超過(guò) 2h的角動(dòng)量。這一性質(zhì)令物理學(xué)家喜出望外,，因?yàn)樗幸阎幕咀饔昧d體（如傳播電磁力的光子或者傳播引子的引力子）的性質(zhì)不謀而合,。回顧歷史,，正 是角動(dòng)量讓物理學(xué)家注意到弦論中含有量子引力,。 

     第三，量子弦要求在通常的3維之外,，還存在額外的空間維度,。經(jīng)典的小提琴弦，不管時(shí)空的性質(zhì)如何,，都可以振動(dòng),，而量子弦就挑剔多了。要使描述量子弦振動(dòng)的方程能夠自洽,，時(shí)空必須是高度彎曲的（這與觀測(cè)結(jié)果相矛盾）,，否則它就應(yīng)該含有6個(gè)額外的空間維。 

     第四,，物理常數(shù)（出現(xiàn)在物理方程中并決定自然界性質(zhì)，例如牛頓常數(shù)與庫(kù)侖常數(shù)）不再具有任意給定的固定值,。它們?cè)谙艺撝幸詧?chǎng)的形式出現(xiàn),，就如電磁場(chǎng)一樣， 可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整它們的數(shù)值,。在不同的宇宙時(shí)期或者在相隔遙遠(yuǎn)的空間區(qū)域,，這些場(chǎng)可能取不同的值；即使到了今天,，這些常數(shù)可能還會(huì)有微小幅度的變化,。只要觀 測(cè)到任何這類變化，可就是弦論的一大進(jìn)展了[相關(guān)文章即將在本刊登載]。 

     這其中的所謂“膨脹子場(chǎng)”是整個(gè)弦論的關(guān)鍵,，它決定了所有作用力的總強(qiáng)度,。弦論學(xué)家對(duì)膨脹子特別感興趣，因?yàn)樗牧恐悼梢灾匦陆忉尀橐粋€(gè)額外空間維的尺度,，從而給出一個(gè)11維時(shí)空,。

系緊松頭 

     量子弦使物理學(xué)家最終認(rèn)識(shí)到，自然界存在新的重要對(duì)稱,，稱為“對(duì)偶性”（duality）,，它改變了我們對(duì)尺度極小的微觀世界的直覺(jué)。我曾提到一種對(duì)偶性：通常情況下弦越短便越輕,，但如果我們想要把弦的長(zhǎng)度縮短到基本長(zhǎng)度ls以下,，那么弦反而會(huì)重新變重。 

     另一種對(duì)稱稱為T(mén)對(duì)偶性,，它指出,，額外的維度都是等價(jià)的，而與其尺度無(wú)關(guān),。之所以會(huì)出現(xiàn)這種對(duì)稱,，是因?yàn)橄业倪\(yùn)動(dòng)方式可以比點(diǎn)狀粒子更復(fù)雜。試考慮一個(gè)圓 柱狀空間上的一根閉合弦（稱為圈）,，此空間的圓形橫截面代表一個(gè)有限的額外維,。除了振動(dòng)之外，該弦還能整個(gè)地繞圓柱轉(zhuǎn)動(dòng),，或者纏繞于圓柱一圈或數(shù)圈,，就象 橡皮筋繞在紙筒上一樣[見(jiàn)40頁(yè)圖文]。 

     這兩種狀態(tài)下,，弦的能量消耗與圓柱尺度有關(guān),。卷繞的能量與圓柱的半徑成正比。圓柱越大,，弦就拉伸得越厲害,，因此其卷繞所含的能量也就越多。但是,，當(dāng)整個(gè)弦 繞圓柱運(yùn)動(dòng)時(shí),，其能量就與圓柱半徑成反比了。圓柱越大,，波長(zhǎng)就越大（相當(dāng)于頻率越低）,，因而能量就越小。如果用一個(gè)大圓柱取代小圓柱,，那么兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就 可以互換角色,。先前由圓周產(chǎn)生的能量現(xiàn)在改由卷繞產(chǎn)生,，而先前由卷繞產(chǎn)生的能量則通過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。外部觀測(cè)者看到的只是能量的大小而不是其起源,。對(duì)外部 觀測(cè)者而言,，圓柱半徑無(wú)論大小在物理學(xué)上都是等價(jià)的。 

     T對(duì)偶性通常用圓周狀空間來(lái)描述（這種空間的一個(gè)維度即圓周是有限的）,，但它的一個(gè)變種適用于通常的3維空間,，這種空間的每一維都可以無(wú)限地延伸下去。在 談?wù)摕o(wú)限空間的擴(kuò)展時(shí)務(wù)必謹(jǐn)慎,。無(wú)限空間總的大小是不會(huì)變化的,；它永遠(yuǎn)都是無(wú)限大。但這種空間內(nèi)所包容的諸如星系之類的天體卻可以彼此相距越來(lái)越遠(yuǎn),，從這 個(gè)意義上說(shuō),，無(wú)限空間仍然能夠膨脹。關(guān)鍵的變量不是整個(gè)空間的大小,，而是它的尺度系數(shù),，即衡量星系間距離變化的數(shù)值，它表現(xiàn)為天文學(xué)家所觀測(cè)到的星系紅 移,。根據(jù)T對(duì)偶性,，尺度系數(shù)較小的宇宙等價(jià)于尺度系數(shù)較大的宇宙。愛(ài)因斯坦的方程里不存在這類對(duì)稱性,；弦論實(shí)現(xiàn)了相對(duì)論和量子論的統(tǒng)一,，此種對(duì)稱性也就自 然地脫穎而出，膨脹子則在其中起了關(guān)鍵的作用,。 

     多年來(lái)弦理論家曾認(rèn)為T(mén)對(duì)偶性僅適用于閉弦而非開(kāi)弦（開(kāi)弦的端頭是松開(kāi)的,，因此這種弦不能卷繞。）1995年,，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的joseph Polchinski意識(shí)到,，如果在半徑出現(xiàn)由大到小或由小到大的轉(zhuǎn)換時(shí)，弦端點(diǎn)處的條件也發(fā)生相應(yīng)的變化,，那么T對(duì)偶性就適用于開(kāi)弦,。此前物理學(xué)家所假 定的邊界條件是弦的端點(diǎn)不受任何力的作用，因此可以自由地甩來(lái)甩去,。而T對(duì)偶性則要求這些條件變成所謂Dirichlet邊界條件,，即端點(diǎn)處于固定狀態(tài)。  

     任何給定的弦可以兼有兩類邊界條件,。例如，電子所對(duì)應(yīng)的弦其端點(diǎn)或許可以在10個(gè)空間維的3維中自由運(yùn)動(dòng),，但在其余7維中卻是固定的,。這3個(gè)維構(gòu)成了一個(gè) 名為Dirichlet膜（D-膜）的子空間,。1996年，加州大學(xué)伯克利分校的Petr Horava和美國(guó)普林斯頓高級(jí)研究所的Edward Witten提出,，我們的宇宙就位于這樣一種膜上,。電子和其他粒子只能在一部分維中運(yùn)動(dòng)，這就說(shuō)明了我們?yōu)楹螣o(wú)法領(lǐng)略空間的整個(gè)10維風(fēng)光,。