史上最燒腦物理學科普（下）
4拉馬努金，確立十維宇宙
超弦理論似乎包含了所有的物理學知識，極其廣博精深。許多科學家認為，這是二十一世紀的物理學，意外落入二十世紀，但是人類還沒有發明二十一世紀的數學，來精確描述它。
有一個重大秘密：我們只能在二十六維與十維中定義弦論，否則就無法用弦論整合已知的物理定律。解開這個秘密的，是堪比當年黎曼的另一位數學天才拉馬努金（Srinivasa Ramanujan）。
拉馬努金一八八七年出生于印度，少時坎坷，甚至沒有通過升高三的考試。二十六歲那年，他給著名數學家哈代寫了一封信，信中包含了一百二十個定理。這位貧窮孤立的印度哥們，完全不知道歐洲數學界的任何研究資訊，純粹憑個人才智、按照自己的方法，重新推導出歐洲百年數學史的所有重要定律。
拉馬努金的研究成果包含了三冊四百多頁的筆記，其中包含了四千多個公式。后人在此基礎上總結出了拉馬努金模函數（Ramanujan funcation），這是一個奇特的包含了高達二十四次乘冪的數學式。這些數學式證明：弦論只有在十維中才是自洽的。也就是說，產生我們現存宇宙的那個高維度宇宙，它的維度數一定是十！（1994年開始了弦論的第二次革命。此后誕生的“M理論”被認為是最新的大一統理論模型，M理論認為：歷史上五種不同的弦論在本質上被證明是等價的，它們可以從11維時空的M理論導出。）
寫到這兒，這一段物理詩史基本可以告一段落。從黎曼、愛因斯坦的重力場，到量子力學，到超重力論，到超弦理論，到M理論，人類歷史上這些偉大的智慧頭腦，前赴后繼探尋宇宙的真理，已經為我們描述了宇宙誕生的全過程，也就是開始于10E－34秒的創世時間表。
讓我們一起看看，弦論以降，科學到底是怎樣解釋我們所存在的這個宇宙的：
Ⅰ、宇宙的誕生
正如我們之前所介紹的那樣，創世的剎那，開始于“大爆炸”Big Bang，自10E－34秒開始，歷經150億年形成我們今天的宇宙。
宇宙“大爆炸”的實驗證據主要有以下四點：
1、經由測量恒星光線的扭曲的現象，一再證實恒星正以高速遠離我們而去，而且，離我們越遠的恒星或星系，會以越高的速度遠離我們而去；
2、“大爆炸”理論預測宇宙中氦與氫的比例應該接近25% : 75%，實際測量數據與該預測高度吻合；
3、通過對放射性物質衰變的測量，我們可以為地球上的巖石和隕石斷年，目前沒有發現任何物體可以追溯到“大爆炸”之前；
4、“大爆炸”產生了宇宙回音，這種微波輻射至今仍在宇宙回響，一九六五年，人類偵測到了這個微波背景輻射（microwave backgroundradiation）。
Ⅱ、宇宙的滅亡
我們先看看每顆恒星的生命歷程：
恒星由大量氫氣聚合形成，氫元素融合形成氦，由于氫質子的重量超過氦質子的重量，因此氫聚合成氦時就會有多余的質量，這些質量依據愛因斯坦的質－能公式?E＝mc2成為能量，這個能量將原子核束縛在一起，并將部分能量釋放出來，使太陽發光發熱。
之后，經過數十億年光陰，氫氣逐漸耗盡，核熔爐逐漸熄滅，重力成為優勢作用力使恒星兩次塌陷，恒星溫度此時會急劇升高，成為“紅巨星”，再然后成為“白矮星”，“白矮星”爆炸成為“超新星”和“中子星”，“中子星由于重力繼續塌陷，最后成為“黑洞”。
在這一歷程中，恒星內部的元素按照“結合能量曲線“依次變化。
恒星中的氫元素按照這個曲線一再融合成為更重元素之后便會到達鐵，而無法再制造出額外的能量，這時，恒星崩潰并釋放出大量熱量，超新星于焉誕生，這種劇烈爆炸將星體炸碎并將殘骸遍灑星際空間，成為孕育新恒星的種子。
在描述完恒星的生命周期后，我們再看看包含無數顆恒星并見證無數次恒星生滅的宇宙本身，它將何去何從？
根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙的結局無限悲泣。要么，就是不斷膨脹，直到溫度接近絕對零度；要么，就是大崩墜，收縮成一團火球。如果宇宙是一個無限邊界的開放宇宙，它就會被“冰”毀滅；如果宇宙是一個有邊界的封閉宇宙，它就會被火毀滅。
物理學家通過平均密度來判斷宇宙到底是不斷膨脹還是會逆轉走向大崩墜，如果宇宙平均密度小于10E－29 克/立方公分，宇宙就會不斷膨脹，否則，將會陷入大崩墜。
量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質子和中子衰變。根據大一統理論，我們所知道的一切物質，包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。
問題是：產生宇宙的大爆炸之前是什么？
在了解了恒星乃至整個宇宙的生命歷程之后，必須要回答的問題是：在這個剎那之前吶？是否有那個第一推動力？或者說，是否有那個點燃Big Bang的上帝存在吶？
數百年來，伴隨著科學發現的不斷積累，宗教界關于上帝存在的堅持已經退守到這樣一個境地，那就是說：大霹靂之前到底發生了什么？牛頓生前并沒有能夠解答這個關于“第一推動”的問題，他把它歸功于“上帝之手”。
但事實上，以超弦理論為集大成者，今天的科學家群體，不僅給出了Big Bang創世之后的宇宙發展歷程（包括宇宙消亡的歷程），同時也給出了Big Bang之前的宇宙存在的假說，那就是關于平行宇宙、黑洞、蟲洞等相關理論。這些理論在解答了“第一推動”這個疑問的同時，再次撼動了上帝存在的證明。
昔日尼采有言“上帝已死”，現在霍金在《大設計》第一頁上就宣稱“哲學已死”，因為“哲學跟不上科學，特別是物理學現代發展的步伐”。這是一個極為傲慢的“宣言”。他的意思是，世界本源是所有哲學流派的終極思考，而現在科學界已經給出了世界本源和宇宙發展的全部解釋，所以，哲學的使命已經終結了。
的確！“唯物”、“唯心”，甚至“客觀存在”，都已經被量子理論、超弦理論徹底動搖！
與此同時，上帝也被霍金“掃地出門”，他在《大設計》末尾宣稱：因為存在像引力這樣的法則，所以宇宙能夠“無中生有”，自發生成可以解釋宇宙為什么存在，我們為什么存在。所以“不必祈求上帝去點燃導火索使宇宙運行”。也就是說，上帝現在不再是必要的了。（請參看霍金《哲學已死》，朱清時《物理學步入禪境：緣起性空》）
5霍金，平行宇宙
黑洞是使霍金名滿天下的研究，在那之后，他創立了量子宇宙學（quantum cosmology），以愛因斯坦的古典宇宙學為出發點，再將整個宇宙量子化，試圖完成那個前輩物理學家的未竟事業“統一場論”，統合小到夸克、大到銀河星際甚至整個宇宙的所有自然律。事實上，霍金的理論甚至遠遠超出了我們的宇宙！
他的新構想是將整個宇宙看成一個量子粒子，用宇宙波函數來描述多重宇宙（不止一個，是無數個宇宙）的無窮集合。按照霍金的理論，我們的宇宙，只是無數的平行宇宙之一，每個宇宙都透過復雜的蟲洞系統與其他宇宙相連結。
如果霍金說的沒錯，世上就存在著無數的平行宇宙。其中很多宇宙具有不同的物理常數，大多數宇宙都是一片死寂，不具備孕育生命的物理定律。但是在某一個宇宙中，它的物理定律恰好符合生命的條件，這就是我們的宇宙。
如果這種理論屬實，我們就不必把生命的起源歸諸于上帝。
宇宙航行 & 遁入高維度宇宙
前文說過，太陽系乃至這個宇宙，終究難逃消亡的命運。那么，智慧生物是否作為宇宙的一部分因而最終難逃滅亡的宿命吶？
我們的希望，就在十維宇宙和超弦理論！
按照超弦理論，我們的宇宙誕生于一個十維宇宙，由于這個十維宇宙的對程結構不穩定，在“大爆炸”時分解為一個四維宇宙（我們現在的宇宙）和一個六維宇宙。四維急劇膨脹，歷經150億年形成了我們今天的宇宙；而六維宇宙則急劇收縮成為一個10E－32公分的微小世界。
這個六維宇宙在哪里？它就在我們的周圍！只是因為它太微小以至于無法觀測得到。假如，我們能夠觀測得話，它會是什么樣子吶？這是近幾十年內大量數學家、物理學家研究的課題。其中，以華裔科學家丘成桐命名的卡拉比－丘流形是比較得到認可的一個答案。
上圖是一個六維卡拉比－丘流形的二維截面圖。也是說，該圖相當于是一個六維空間的“影子”。
接著說，當我們的四維宇宙崩潰時，與大爆炸那一刻相反，原本收縮的那個六維宇宙開始慢慢展開，智慧生物有機會在這一個瞬間，由四維宇宙逃入六維宇宙，獲得新生。
這一個過程，需要我們掌握更強大的力和能量，才能駕控宇宙，獲得新生。舉例說：那時我們需要極高速的宇宙飛船，但根據狹義相對論我們知道我們永遠不可能達到光速，那么我們怎么跨越動輒以光年計數的漫漫長路吶？不違反愛因斯坦的自然律而又能夠實現可能的時空跨越的方法，就是人為把時空彎曲。
打一個容易理解的比方，就好比在地毯的另一邊有一個瓶子，我們不需要走到地毯的那一邊去拿到它，我們可以坐在原地，把地毯逐漸拉向我們，通過使地毯逐漸卷曲，來拉近我們和瓶子的距離，以這樣的方法最終拿到瓶子。
這就是不需要跨越距離，但是卻可以從一點到達另一點的方法：彎曲時空。而彎曲時空所需要的能量，是我們現在所掌握能量的一千億倍。這就是統合自然力的目的所在。
前文說到，量子力學還描述了另外一種宇宙消亡的情景，那就是質子和中子衰變。根據大一統理論，我們所知道的一切物質，包括太陽系和地球、也包括智慧生物身體內的質子和中子最終都會分解。
那時，智慧生物就需要用新的質子和中子合成新的原子核。這同樣需要巨大的能量，和彎曲時空所需要的數量級相當。這也是統合自然力的意義所在。
6結語
我們贊美數百多年來科學進步過程中的這些先驅，是他們智慧的心智，讓我們人類只憑借頭腦和一些工具，就可以計算出支配數十億光年外的物質的定律，我們只有微不足道的能源，甚至還沒有離開太陽系，但我們已經知道恒星深處的核子反應或原子核內的情況。
我們在這個不起眼的小行星上發現的物理定律，卻適用于宇宙的各個角落，我們的思想能了解并控制星星的宇宙法則，我們體內的原子原是某個恒星的核融合反應的產物，我們的原子比山的年代還久遠，我們是由宇宙塵造成的，這些原子又凝聚成能了解宇宙法則的智慧生物。
讓我們以霍金的一段話作為結語：
“如果我們真能發現一個完全的理論，如果我們能討論出答案，這將是人類理智的最大成就－屆時我們就能知道上帝的想法了。”
本文轉載自 鋅科技 ，文章素材主要摘錄自加來道雄的《Hyperspace》和丘成桐的《The Shape of Inner Space》。
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