弦理論指出，大爆炸并非宇宙的起點，而是其前一存在階段的結(jié)果。
大爆炸真的是時間的起點嗎？抑或宇宙在大爆炸之前就已經(jīng)存在？如果在10年前提出這樣的問題，那簡直是對宇宙學(xué)大逆不道了；絕大多數(shù)宇宙學(xué)家會認(rèn)為，思考 大爆炸以前的時間，就像打聽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)生過什么的新思潮，其實只是數(shù)千年來的理性鐘擺的最新一次擺動。幾乎在每一種文明中，終極起源的問題都會讓哲學(xué)家和神學(xué)家忙個沒完沒了。 它所關(guān)懷的問題讓人應(yīng)接不暇，其中著名的一個出現(xiàn)在Paul Gaugin（高更）1897年的名畫中： “我們從哪里來？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：每個人的起源、身份與宿命，而這份對個人的關(guān)懷，直接連系著宇宙的命運。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。我們的譜系樹是否可以這樣一直無休止地延伸下去呢？抑或它會終止于某處？宇宙是否也像人類一樣，并非永恒的？
古希臘人曾就時間的起源有過激烈的爭論。亞里斯多德主張“無”不能生“有”，而站在了時間“沒有起點”的陣營。如果宇宙不能“無中生有”，那它過去必然是 一直存在的。基于這些理論，時間必定是朝著過去和未來兩端無限延伸。而基督教神學(xué)家則傾向于相反的觀點。奧古斯丁堅決主張，神存在于空間和時間之外，而且 創(chuàng)造了時空和整個世界。有人問道：“神在創(chuàng)造這個世界之前在做什么？”奧古斯丁答道：“時間本身就是神創(chuàng)造的產(chǎn)物之一，所以根本就沒有‘之前’可言！”
愛因斯坦的廣義相對論，引導(dǎo)當(dāng)代宇宙學(xué)家得出了幾乎一樣的結(jié)論。廣義相對論認(rèn)為，空間和時間是柔軟可塑的實體。在大尺度上，空間本質(zhì)上是動態(tài)的，會隨時間 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)家觀測到遙遠的星系正在彼此遠離，從而證實宇宙正在膨脹。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，所有的星系終會擠到一個無窮小的點（稱為即奇點） 上，這與它們掉進黑洞的意思差不多。每個星系或其前身都被壓縮到零尺寸，而密度、溫度和時空曲率等物理量則變成無窮大。奇點就是宇宙萬物的起點，超過這一 界限，我們的宇宙譜系樹就無法再往前延伸了。
宇宙是均勻的？
這個無法避免的奇點，給宇宙學(xué)家?guī)砹肆钊瞬话驳膰?yán)重問題。特別是，奇點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。
具體來說，不妨想一下從宇宙微波背景輻射釋放后，這137億年來發(fā)生的事情：由于宇宙的膨脹，星系間距離增大了1000倍，而可觀測宇宙的半徑，則增大了 10萬倍之多（由于光速超過宇宙膨脹速度）。我們今天看到的宇宙，有很大一部分是我們在137億年所看不到的。的確，在宇宙歷史上，現(xiàn)在那些來自最遙遠星 系的光，還是第一次到達銀河系。
盡管如此，銀河系與那些遙遠星系的性質(zhì)，竟然基本上是一樣的。這就好比你參加一個聚會，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去。可是如果十幾個人衣著都相同，那八成是他們事先約好了。在宇宙學(xué)中，這個數(shù)字不是十幾個，而是數(shù)萬個——這是全天域微波背景中的 天區(qū)數(shù)量，它們彼此獨立，但統(tǒng)計上卻完全等同。
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，均勻性只不過是個巧合。然而，物理學(xué)家想出了兩種更自然的途徑來擺脫僵局：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），都有可能實現(xiàn)各個空間區(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擠在一起，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秒一個新的量子場“暴脹子”中所儲存的勢能。勢能與靜質(zhì)能和動能不同，它可以產(chǎn)生引力排斥效 應(yīng)。通常的物質(zhì)引力會減慢宇宙膨脹，但暴脹子卻會加速宇宙膨脹。暴脹理論于1981年問世，至今已經(jīng)解釋了眾多的精確觀測結(jié)果[參見本刊1984年第9期 Alan H·Guth與Paul J·Steinhardt所著《爆脹宇宙》和2004年第4期的專題報道《打開宇宙的四把鑰匙》]。不過，還有一系列潛在的理論問題沒有解決，首當(dāng)其沖的 是，暴脹場子究竟是什么？以及如此巨大的初始勢能從何而來？
第二種途徑較不為人所知，那就是避開奇點。如果時間不是始于大爆炸，如果在目前的膨脹開始之前，宇宙就已經(jīng)存在很長一段時間了，那么物質(zhì)就有充裕的時間把自己的分布安排得比較平滑。因此研究人員已開始重新檢視導(dǎo)出奇點的推導(dǎo)過程。
推導(dǎo)過程中假設(shè)相對論始終有效，看來是大有問題的。在接近一般認(rèn)定的奇點時，量子效應(yīng)必定越來越重要，甚至起到主導(dǎo)的作用。正統(tǒng)的相對論沒有考慮到這類效 應(yīng)，因此，認(rèn)定奇點不可避免，無疑是過份相信了相對論。要弄清真正發(fā)生的情況，物理學(xué)家必須把相對論納入到量子引力理論中。這個任務(wù)讓愛因斯坦以后的物理 學(xué)家傷透腦筋，直到1980年代中期，進展還幾乎等于零。
弦論的革命
如今，有兩個好方案出現(xiàn)了。第一個叫“圈量子引力”，它完整保留了愛因斯坦理論的精髓，只是改變了欲符合量子力學(xué)條件的程序[參見本刊2004年第3期 Lee Smolin所著《量子化時空》一文]。過去幾年中，圈量子引力的研究者取得了長足的進展，獲得了非常深刻的認(rèn)識。然而，或許對傳統(tǒng)理論的革命不夠深入， 因而無法解決引力量子化的根本問題。類似的問題在1934年也出現(xiàn)過，當(dāng)時費米（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。所有建立量子費米理論的努力，全都悲慘地一無所獲。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）的電弱理論所帶來的根本翻修。
第二個就是弦論，我認(rèn)為比較有前途。弦論對愛因斯坦理論進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。盡管在問世之初引起不小的轟動，這一模型最終還是失敗了，讓位給了量子色動力 學(xué)。后者用更基本的夸克來描述核子，而弦論就被舍棄了?？淇吮唤d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，最初的弦論其實已經(jīng) 抓住了核子世界中弦的要素。沉寂一段時間之后，弦論又以結(jié)合廣義相對論和量子理論的姿態(tài)，東山再起了。
弦論的核心概念，是基本粒子并非點狀物，而是無限細(xì)的一維實體，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 振動模式上。這樣一個看似簡單的理論，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的“量子弦魔術(shù)”中找到。一旦把量子力學(xué)套用到振動的 弦（與小提琴弦沒兩樣，只不過其上的振動以光速傳播）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質(zhì)量的點狀粒子。但是分割到 一定程度，海森堡的測不準(zhǔn)原理就會介入，防止最輕的弦被分割到10*-34米以下。這個不能再分割的長度量子，用ls表示，是弦論引入的一個全新的自然常 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窮大。
其次，就算沒有質(zhì)量的量子弦，也可以有角動量。在經(jīng)典物理學(xué)中，角動量是繞軸旋轉(zhuǎn)的物體所具有的一種性質(zhì)。計算角動量的公式是速度、質(zhì)量以及物體到轉(zhuǎn)軸距 離三者之乘積，因此無質(zhì)量的物體不可能具有角動量。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有任何質(zhì)量，也可以獲得不超過 2h的角動量。這一性質(zhì)令物理學(xué)家喜出望外，因為它同所有已知的基本作用力載體（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?；仡櫄v史，正 是角動量讓物理學(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，不管時空的性質(zhì)如何，都可以振動，而量子弦就挑剔多了。要使描述量子弦振動的方程能夠自洽，時空必須是高度彎曲的（這與觀測結(jié)果相矛盾），否則它就應(yīng)該含有6個額外的空間維。
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)與庫侖常數(shù)）不再具有任意給定的固定值。它們在弦論中以場的形式出現(xiàn)，就如電磁場一樣， 可以動態(tài)地調(diào)整它們的數(shù)值。在不同的宇宙時期或者在相隔遙遠的空間區(qū)域，這些場可能取不同的值；即使到了今天，這些常數(shù)可能還會有微小幅度的變化。只要觀 測到任何這類變化，可就是弦論的一大進展了[相關(guān)文章即將在本刊登載]。
這其中的所謂“膨脹子場”是整個弦論的關(guān)鍵，它決定了所有作用力的總強度。弦論學(xué)家對膨脹子特別感興趣，因為它的量值可以重新解釋為一個額外空間維的尺度，從而給出一個11維時空。
系緊松頭
量子弦使物理學(xué)家最終認(rèn)識到，自然界存在新的重要對稱，稱為“對偶性”（duality），它改變了我們對尺度極小的微觀世界的直覺。我曾提到一種對偶性：通常情況下弦越短便越輕，但如果我們想要把弦的長度縮短到基本長度ls以下，那么弦反而會重新變重。
另一種對稱稱為T對偶性，它指出，額外的維度都是等價的，而與其尺度無關(guān)。之所以會出現(xiàn)這種對稱，是因為弦的運動方式可以比點狀粒子更復(fù)雜。試考慮一個圓 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有限的額外維。除了振動之外，該弦還能整個地繞圓柱轉(zhuǎn)動，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40頁圖文]。
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)整個弦 繞圓柱運動時，其能量就與圓柱半徑成反比了。圓柱越大，波長就越大（相當(dāng)于頻率越低），因而能量就越小。如果用一個大圓柱取代小圓柱，那么兩種運動狀態(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)生的能量則通過圓周運動產(chǎn)生。外部觀測者看到的只是能量的大小而不是其起源。對外部 觀測者而言，圓柱半徑無論大小在物理學(xué)上都是等價的。
T對偶性通常用圓周狀空間來描述（這種空間的一個維度即圓周是有限的），但它的一個變種適用于通常的3維空間，這種空間的每一維都可以無限地延伸下去。在 談?wù)摕o限空間的擴展時務(wù)必謹(jǐn)慎。無限空間總的大小是不會變化的；它永遠都是無限大。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越遠，從這 個意義上說，無限空間仍然能夠膨脹。關(guān)鍵的變量不是整個空間的大小，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)家所觀測到的星系紅 移。根據(jù)T對偶性，尺度系數(shù)較小的宇宙等價于尺度系數(shù)較大的宇宙。愛因斯坦的方程里不存在這類對稱性；弦論實現(xiàn)了相對論和量子論的統(tǒng)一，此種對稱性也就自 然地脫穎而出，膨脹子則在其中起了關(guān)鍵的作用。
多年來弦理論家曾認(rèn)為T對偶性僅適用于閉弦而非開弦（開弦的端頭是松開的，因此這種弦不能卷繞。）1995年，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的joseph Polchinski意識到，如果在半徑出現(xiàn)由大到小或由小到大的轉(zhuǎn)換時，弦端點處的條件也發(fā)生相應(yīng)的變化，那么T對偶性就適用于開弦。此前物理學(xué)家所假 定的邊界條件是弦的端點不受任何力的作用，因此可以自由地甩來甩去。而T對偶性則要求這些條件變成所謂Dirichlet邊界條件，即端點處于固定狀態(tài)。
任何給定的弦可以兼有兩類邊界條件。例如，電子所對應(yīng)的弦其端點或許可以在10個空間維的3維中自由運動，但在其余7維中卻是固定的。這3個維構(gòu)成了一個 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和美國普林斯頓高級研究所的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動，這就說明了我們?yōu)楹螣o法領(lǐng)略空間的整個10維風(fēng)光。
