30分钟读完:《宇宙的琴弦》你所不知道的宇宙学(2)
但我们通常认为，宇宙的密度应该远远大于这个密度，当前地球上任意一个物体的密度都要大于这个值，但是，物质就像金钱一样，会朝某些地方聚集，整个宇宙中大部分是真空区域。就像我们不能拿比尔盖茨的财富作为全球财富的指标一样。
天文学家通过仔细研究星系在空间中的分布，结果宇宙的密度要比临界值小很多，按理说宇宙应该还是在不断膨胀的。但研究发现，有足够的证据证明宇宙是充满暗物质的，这些暗物质不参与恒星能源的核聚变，所以不会发光，我们无法观察到。所以具体宇宙的密度是多少，我们今天还不清楚，因此，宇宙是在膨胀还是在收缩我们也不清楚。
如果我们假设今天的宇宙密度大于临界值，那么有一天整个宇宙将重新收缩成为一个点，而且收缩的速度应该是不断加大的。最终宇宙将回到它的原始状态。但是按照弦理论，宇宙在任意空间维度上都不可能收缩到普朗克长度以下，而且弦理论还发现宇宙应该有一个极限的小尺度，因为当卷缩的空间向着比普朗克长度更小的尺度收缩时，弦会化解这样的收缩，把空间几何扭转过来。所以，我们可以得出这样一个结论：当宇宙空间收缩到普朗克长度时，宇宙又会重新开始膨胀，直到密度到达一个临界值，宇宙又开始重新收缩，如此往复。
在弦理论中，弦的能量有两个来源：振动和缠绕。这两者对弦的能量贡献是不同的，但是在一个弦内，它们是互为反比的。也就是一个高缠绕的弦比如有低振动，一个高振动的弦比如有低缠绕。所以他们的总能量是一样。
寻找M理论
在讨论M理论之前，让我们简单回顾之前的内容。20世纪80年代中期，第一次弦理论革命后，物理学家构造了5个不同的弦理论，它们包括：I型、杂化O型、杂化E型、IIA型、IIB型，而且在微扰论的近似框架下，这些理论显得各不相同。但近似方法只是在弦理论的耦合常数小于1时才适用，而且物理学家们在研究了每一个理论所有可能的耦合常数值下的情况时，小于1弱耦合和大于1的强耦合，但是传统的微扰法对任何一个理论的强耦合特征都不起作用。最近，物理学家们借助超对称性的力量学会了如何计算一个弦理论的某些强耦合性质。发现杂化O型弦的强耦合性质似乎与I型弦的弱耦合性质是完全相同的，反过来也是这样。而且另外两个弦理论也满足这样的情况。这是一个惊人的发现。
经过一系列的研究发现，直到1995年惠藤发表了关于11维的超引力的演说，标志着“第二次弦理论革命”到来，惠藤论证说，如果从IIA型弦出发，把它的耦合常数从远小于1增大到远大于1，那么我们所能分析的物理有一个低能的近似，那就是一个11维的超引力。简单讲，1995年惠藤证明了，11维宇宙的存在。那么11维的理论究竟是什么呢？在低能（比普朗克能量比）条件下，惠藤等人指出，人们忽略已久的11维超引力量子场论就是它的近似。但在高能量下，我们如何描述这个理论呢？这个问题至今还在研究中。不管11维理论是什么，惠藤暂时把它叫作：M理论。M理论是一种结合了5种超弦理论和11维空间的超引力理论的终极理论，也是弦理论的最新一次延伸，对弦理论具有革命性的影响。因此惠藤也被作者称之为可以和爱因斯坦并列的物理学家，被美国《生活》杂志评选为二战后排名第六的“最有影响力的人物”。
同弦论一样，M理论的关键概念是超对称性。所谓超对称性，是指玻色子和费米子之间的对称性。玻色子是以印度加尔各答大学物理学家玻色(S.N.Bose)的名字命名的；费米子是以建议实施曼哈顿工程的物理学家费米(E.Fermi)的名字命名的。玻色子具有整数自旋，而费米子具有半整数自旋。相对论性量子理论预言，粒子自旋与其统计性质之间存在某种联系，这一预言已在自然界中得到令人惊叹的证实。
在超对称物理中，所有粒子都有自己的超对称伙伴。它们有与原来粒子完全相同的量子数(色、电荷、重子数、轻子数等)。玻色子的超伙伴必定是费米子；费米子的超伙伴必定是玻色子。尽管尚未找到超对称伙伴存在的确切证据，但理论家仍坚信它的存在。他们认为，由于超对称是自发破缺的，超伙伴粒子的质量必定比原来粒子的大很多，所以才无法在现有的加速器中探测到它的存在。
局部超对称性，还提供将引力也纳入物理统一理论的新途径。爱因斯坦广义相对论，是根据广义时空坐标变换下的某些要求导出来的。在超对称时空坐标变换下，局部超对称性则预言存在“超引力”。在超引力理论中，引力相互作用由一种自旋为2的玻色子(引力子)来传递；而引力子的超伙伴，是自旋为3/2的费米子(引力微子)，它传递一种短程的相互作用。
在M理论体系中，时间分为两种，一种是我们世俗意义上的时间（即现行宇宙对人类意义上的时间）。还有一种被定义为“虚时间”，虚时间没有所谓的开端和终结，而是一直存在的时间，是用于描述超弦的一条无矢坐标轴。
M理论认为能量在自身维度下不守恒，能量会在自身绮翘中逃逸到其他膜，而弦分为开弦和闭弦，引力子弦与另三种弦不同，是一个自旋为2的玻色子,理论中被定义为自由的闭弦，可以被传播到宇宙膜外的高维空间以及其它宇宙膜，故能量场在自身维度（现行宇宙空间）下逃逸了更多。
在M理论中存在无数平行的是膜，膜相互作用碰撞导致产生四种基本粒子，产生电磁波和物种，这就是宇宙大爆炸的原因。
从弦/M理论看黑洞
如果没有引力的量子力学体系，我们不可能认识发生在宇宙大爆炸时刻和统治着黑洞内部的那些极端的物理条件。随着弦理论的发现，我今天有希望揭开这些深藏的秘密，今天的内容，我们将从弦理论和M理论来认识黑洞和宇宙的起源。
黑洞是一种理论预言的天体，是空间中的强引力区域，其逃逸的速度等于光速，因此不会有光辐射逸出而得名。黑洞具有一个封闭的视界，外来的辐射或者物质可以进入视界，但是视界内人辐射和物质不能逃逸出去。
黑洞和基本粒子看起来是完全不一样的两样东西。黑洞我们常常描述为一个无限大的物体，而基本粒子则是一个无限小的物体。然而，物理学家惠勒发现任何两个黑洞有相同的质量、力荷和自转速度。基于这些特性，一些物理学家猜想。黑洞可能本来就是一个巨大的基本粒子。
在弦理论中，当一个卡-丘空间经过空间破裂锥形变换时，原来的大质量黑洞会越来越轻，最后转化成一个没有质量的粒子，就像一个零质量的光子。也就是一根以某种形式振动的弦，这样，弦理论将黑洞和基本粒子直接联系在一起。
黑洞有熵吗？
黑洞里是无序还是有序的呢？这个问题要涉及到黑洞熵。众所周知，熵是一个物理学上用来描述无序和随机的度量值。1970年，物理学家提出了惊人的思想：黑洞可能有熵，而且量还很大，也就是，黑洞中是高度的无序状态。他认为，当物质进入黑洞时，它的熵会充分增大，足以抵消我们看到的黑洞外熵的减少。后来经过一系列论证，多数物理学家认为贝克斯坦的思想是不可能正确的，因为黑洞似乎本该是整个宇宙中最有序、携带电荷和最有组织的事物。
黑洞有多黑？
黑洞的逃逸速度等于光速，所有进入黑洞的事物将不会逃逸出去。所以，可以想象黑洞当然是黑的，不会发出任何东西。另外，霍金认为，如果黑洞是无熵的，那么被仍进去的事物的熵就会消失。不过1974年，霍金发现，黑洞并不完全是黑色的。他认为黑洞是以量子力学的方式发出辐射，黑洞的引力可以将能量注入虚光子，就是说能把两个粒子远远分开，使其中一个掉入黑洞。但是另外一个粒子则可以从黑洞中吸收能量和动力，从而飞离黑洞。霍金认为，如果从遥远的地方观察黑洞，可以看到一些虚光子对分裂的最终结果是从黑洞中发射出一个光子，这样说明其实黑洞并不是完全黑的。另外，霍金发现，黑洞其实还是温度的，虽然温度非常低，温度大约比绝对零度高一亿分子一度，而大质量的黑洞的温度可以达到百万分之一度以下，同时也发现了黑洞熵的存在。
但是，黑洞至今还有一些未解之谜，一个是关于黑洞决定论概念的，另外一个是关于黑洞中心点的时空本性的，有科学家认为一个黑洞中心可能隐约地连接着另外一个宇宙的入口，简单说就是，我们的时间在哪里结束，相连的另外一个宇宙的时间就从哪里开始。这两个问题太过于抽象，这里就不展开了。
宇宙学的沉思
人类自古以来就渴望认识宇宙的起源。也许没有哪个问题像这样超越文化和时代分隔，它唤起祖先的想象，也引发今天宇宙学家的沉思。
人口渴望解释为什么会有一个宇宙，它是如何成为我们今天看到的样子，它是怎么演化的？今天人们接受的宇宙学理论，认为宇宙在最初的瞬间经历过最极端的条件：巨大的能量、极高的温度和极大的密度。我们的宇宙源于150亿年前的一次大爆炸。真的是这样吗？
宇宙大爆炸的理论起源于爱因斯坦完成广义相对论的15年后。弗里德曼发现了宇宙从一个无限压缩的状态爆炸出来的，而且现在仍然处于爆炸引起的膨胀中。5年以后，哈勃望远镜通过观察了几十个星系，证实了宇宙仍然处于膨胀之中。
让我们来简单回顾一下宇宙大爆炸的过程：
宇宙大爆炸后的10的负43次方秒，普朗克时间形成，宇宙的三维空间形成，其余的维度还保持在原来的普朗克尺度里。
随后时间膨胀、冷却、温度下降，大约十万分之一秒后，夸克可以三个成团聚集在一起，形成了质子和中子。
百分子一秒后，周期表里最轻的一些元素的核也够条件从冷却的粒子等粒子体重凝结出来。
接下来3分钟里，宇宙逐渐冷却到10亿开，出现最多的核是氢和氦，还有一些锂。这就是所谓的原始核合成时期。
接下来几十万年，也没发生什么特别的事情。宇宙继续膨胀、温度继续冷却。当温度降低到几千开时，电子流慢慢流向原子核，原子核捕捉了它们，第一次形成了电中性的原子。这是一个重要的时刻，大体上说，这一刻开始，宇宙变得透明了。宇宙充满了带点的等离子体，有的带正电，如原子核，有的带负电，如电子。只与带电体发生相互作用的光子，落在深深的带电粒子的汪洋里，不停歇地碰撞挤压，要么被偏转，要么被吸收，慢慢地宇宙开始从混浊变得清晰。
约10亿年以后，宇宙的基本从沸腾的爆炸状态安静下来，星系、恒星和行星终于开始一个个从原初元素的引力束缚堆里产生出来。
在大爆炸150亿年后的今天，我们也来了，在惊叹宇宙壮丽的同时，也惊讶我们自己能一点点从树立起一个合理的而且经得起实验检验的宇宙起源理论。
大爆炸理论看似精确和严密，但是还是有些问题有待解决，比如为什么宇宙的空间温度都是相同的，相隔如此遥远的空间区域中没有办法实现能量传递和交换，解释不了为什么它们具有完全相同的温度。物理学家把这个解释不了宇宙大范围的温度均匀性的问题称之为：视界问题。视界问题的本质是，为了让宇宙中任意两个遥远距离的区域靠近，我们必须回到时间的开始。而且物理学家们发现，现在宇宙正处于暴胀之中，形成了暴胀的宇宙学模型。