膜宇宙模型
一旦物理学家认识到膜在弦理论里的重要意义,膜很快便成为集中研究的焦点。尤其是,物理学家急于要了解它们对粒子物理以及宇宙概念的潜在意义。而现在,弦理论还不能告诉我们膜在宇宙里是否存在,倘若存在,又会有多少。我们只知道膜是弦理论里一个基本的理论片段,没有它,弦理论就不能完整地拼到一起。既然我们知道了膜是弦理论的组成部分,我们肯定还想知道,在真实世界里它们究竟是否存在,倘若存在,它们的结果又是什么?
膜的可能存在又为宇宙的构成增添了更多的可能性,其中有些甚至会与我们看到的物质属性密切相关。在听到露丝·格雷戈里所说“满载”的膜时,弦理论学家阿曼达·皮特(Amanda Peet)调侃道:“膜开辟了以弦为基础构建模型的新天地。”1995年之后,膜成了模型构建的一种新工具。
到20世纪90年代末,许多物理学家,包括我自己在内,都拓展了自己的视野——把膜包括在内。我们自问:“如果有一个高维宇宙,我们已知的粒子和力不能在其中所有的维度自由运动,而是局限于一个低维度膜上的少数几个维里,结果会是怎样?”
膜宇宙图景为我们时空的总体性质提供了更多的可能性。如果标准模型粒子被束缚在膜上,那么我们也是一样,因为我们及周围的宇宙都是由这些粒子构成的。而且并非所有的粒子都是在同一张膜上的,因此还可能会有不为我们所知的、全然不同的新粒子经受着与我们已知的不同的力和相互作用,我们观察到的粒子和力可能只是一个更为浩瀚宇宙的一小部分。康奈尔大学的两位物理学家亨利·泰伊(Henry Tye)和祖拉·卡布沙兹(Zurab Kabushadze)创造了“膜宇宙”一词来标识这样的图景。亨利告诉我,用这个词他就能一下子描述宇宙包含膜的所有可能方式,而不必坚持其他的可能。
弦理论家试图得到一个有关世界的唯一理论,膜宇宙数量的激增就有点令人心烦,但它同时也令人兴奋。它们是我们生活的世界的所有真实可能,而且其中某个很可能真的描述了我们的世界。因为粒子物理的法则在更高维宇宙里可能不同于物理学家原来的想象,对标准模型的那些令人费解的特征,额外维度提出了许多新的解答方法。虽然这些观点是推想的,但能解决粒子物理问题的膜宇宙很快将在对撞机实验里得到检验。这意味着,是实验而不是我们的偏见将最终决定这些观点是否适用于我们的世界。
我们将探讨这些新的膜宇宙,它们会是什么样子?它们的结果又是什么?我们不会把自己局限在明显由弦理论得出的膜宇宙里,而是要探讨已把新观点引进了粒子物理学的膜宇宙模型。物理学家还远远不能理解弦理论的意义,虽然还没有人找到一个有着特定的粒子和力或一定能量分布的弦理论例证,但仅仅为此就排除一些模型未免为时尚早。这些膜宇宙将被当做是弦理论探索的目标,在第20章讨论弯曲等级模型时,我和拉曼·桑卓姆把它当做一种可能的膜宇宙引进,并由弦理论推导出来。
后面的几章,我将介绍几个不同的膜宇宙,其中每个都呈现了一个全新的物理现象。第一个说明膜宇宙怎样避开“无政府主义原理”;第二个说明维度比我们以前设想的要大得多;第三个说明时空弯曲可以满足物质有不同的大小和质量;最后两个说明,即使无限大的额外维度在时空弯曲时也可能看不见,甚至时空在不同的地方可能显得具有不同的维度。
我将提出几个模型,因为它们都是真实的可能,其中每个都包含了一些新的特征,这是物理学家不久之前还认为不可能的。在每章的末尾,我将总结每个模型的意义及其突破传统观念的地方。当然为了首先得到一个整体了解,你可以先读这些“探索大揭密”,它们概括了该章介绍的特定模型的意义。
在进入这些膜宇宙之前,我将首先简要介绍第一个为人们所知的膜宇宙,它是由弦理论直接得来的,皮特·霍扎瓦和爱德华·威滕在他们探索弦理论对偶性的过程中,偶然发现了这一膜宇宙——我们就以他们的名字首字母为它命名为“HW”模型。我之所以要提到这一模型,一是因为它本身就很有趣,再者因为它有几个性质预示了我们即将看到的其他膜宇宙的特征。
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