弦理论

爱因斯坦的整个一生都在不屈不挠的寻找着一个强大到能够包罗所有宇宙运动的理论，

即使在他生命的最后时光里，他手边也常放着一个记事本，

努力地试图通过各种各样的公式寻找所谓的“万物至理”。

爱因斯坦对自己正处在物理学历史上最重要发现的边缘深信不疑，然而他却溘然长逝，遗恨空余。 

如今半个世纪过去了，爱因斯坦的统一目标将所有宇宙间的规则归于一种包罗万象的理论，

已成为现代物理学研究中的皇冠，而我们认为，

也许通过一套彻底的崭新的“弦”理论，我们将实现爱因斯坦的梦想。

但如果这种革命性的理论是正确的，我们将震惊不已！

弦理论认为我们生活的宇宙是现实和科幻交织而成，这是个11维的宇宙，

而平行的世界触手可及，一个完美由美妙的弦奏响的优雅的宇宙。

但是无论它如何野心勃勃，弦理论的基本理念简单得出奇，

它认为宇宙万物，无论是最微小的粒子还是遥远的星球都是由同一种元素组成，

一种小到无法想象的带能震动细丝，也叫做弦，

就如同大提琴上的弦一样，可以奏出大量不同的音符。

在弦理论中，这种微小的弦以大量的不同方式振动着，从而组成了自然界的万事万物。

换句话说，整个世界就如同一支浩大无比的宇宙交响曲，

在一切这种细小能量丝振动发出的各种音符中轰然奏响！ 

弦理论尚在萌芽期，但它已经为我们展现了一幅彻底崭新的宇宙图景，完全陌生，却又美丽无比。

但又凭什么相信我们可以将包罗万象的宇宙化繁为简用一个单独的“万物至理”来概括呢？

举个不恰当的例子，不管你如何努力，你也没法教一条狗学会物理，它们的脑子里根本没这个概念。

但我们呢，我们又如何得知自己可以理解宇宙最深奥的法则呢？

今天的物理科学家比我们可有信心多了，我们正在继续着爱因斯坦在统一理论上未尽的事业。

统一论应该是一种法则，可以公式化的表述每个单独理论，每个主方程，也许乃至整个已知的宇宙，

我们认为可能确实存在这样一个主方程，因为经历了过去200多年的历程，

基于我们对宇宙的认知而得出各种各样的解答都指向同一点，

它们似乎汇集在我们仍然苦苦追寻的这一点上。

而统一就在此处，统一也是我们的使命，

基础物理学的整个目标就是试图将越来越多的世界表象归结为越来越少越来越简单的法则。

作为物理学家，如果可以把大量的表象用很简单的方式来解释，那就是某种的进步，

这几乎是所有伟大物理学理论所追求的一种殊途同归，一种可以囊括大量不同类型物理现象的理论，

所以这种统一我们所认知的一切的追求时与生俱来的，本质上也是这种科学发展的必经之路。

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在时间的维度上，人类只是半维生物，

我们不能像在空间的三个维度上一样自由，停留，驻足，欣赏风景，聆听大自然的声音。

错过了路上的某个美景，我们还可以原路退回，细细品味。

但在时间的维度上，错过便是错过，永无可能退回，甚至连驻足欣赏都无有可能。

比如你坐在一列火车上，火车在一个小站上下旅客，就在火车启动，即将驶出车站的时候，
站台上刚下火车的一位美丽少女让你怦然心动。

你想下车却已不能，你想掏出相机，留下美好瞬间，
火车却已鸣响汽笛，强行将你带离，徒留美好回忆，让你惆怅让你痛。

你想要是能预知未来就好了，你就可以提前下车去找她，甚至在火车上就和她相见甚欢，成就一段美好姻缘。
可时间永不会让你如愿，它不但不让你远眺未来，还只让你记住过去，甜蜜而忧伤，无奈又怅惘，
甚至就是现时，它也让你难以把握，稍一疏忽，机会就从你身边溜走。 

所以人们总想知道世界以后会怎样发展，自己的人生命运究竟会发生怎样的改变，
于是便催生了卜筮、占星、算命等号称能洞察未来的预言大师。

换作火车站那个场景，如果你能事先得到一个预言，告诉你将在车站上遇到一位改变你人生的美丽少女，
也许你就会在小站下车，找到她，然后：二人手携手，慢移流浪的脚步，告别伊甸，踏上他们孤寂的路途……

而不会： 悄悄的我走了，正如我悄悄的来，我挥一挥衣袖，不带走一片云彩…… 你当然没带走那片云彩，你带走的只是自己的惆怅和心痛。 

你一定感到非常绝望，逝去的永远不再，时间只是伤痛的蜿蜒！

这时法国天文学家拉普拉斯出现了，他告诉我们：

宇宙是完全被决定的，一定存在一组科学定律，只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态，
我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件，甚至包括人的行为。

比如，我们通过太阳和行星的位置和速度，可以计算出任何其他时刻，
包括已经过去时刻的太阳系的状态，通过测量近地小行星的轨迹，
可以预测它们是否会撞上地球，并在将来的某一天，采取可能的应对措施。 

你一定欢呼雀跃了，至少有办法让你不会再错过下一个小站了，
你甚至可以通过自己和少女在小站轨迹的交会，计算出你寤寐求之的少女现在的状况，
从而找到她，执子之手，与子偕老。

但是，太阳系和小行星属于质量巨大的物体，遵循万有引力定律，可以计算出它们的轨道，
而我们要预测宇宙甚至人类在过去或将来任意时刻的行为，必须知道在某一时刻宇宙中所有粒子，
包括你自己身体里每一个夸克和电子的位置和速度。

这是一项巨大浩瀚的工程，但是从理论上至少有这个可能。

道格拉斯·亚当斯在他的科幻小说《银河系漫游指南》里设计了这样一台超级计算机，它的名字叫深思。

一台能在一毫秒内数清楚一颗恒星所有原子数量的电脑——“十亿巨型脑”，在它眼里只是一把算盘；

一台能计算出一场持续5个星期的沙尘暴中每一颗沙尘运行轨迹的电脑——
“Google星际思想者”，在它眼里也只是一台袖珍计算机；

它甚至能轻松搞定宇宙大爆炸那一刻所有原子的确定矢量，
但它依然无法计算出关于生命、宇宙及一切的终极答案的问题，
而不得不设计了一台连它自己都望尘莫及顶礼膜拜的电脑，有机生命本身都成为这台电脑的程序的一部分，
这台电脑的名字就叫——地球。 

不管怎样，虽然我们现在做不到，甚至永远也做不到，但是在理论上我们似乎可以保有这份幻想：

宇宙及人类的一切行为都可以预测，只要我们知道某一时刻宇宙中所有粒子的位置和速度，
它们下一步如何运动就是确定的。

霍金从轮椅上站起来，给了我们当头一棒：

亲，快醒醒，别做梦了！虽然他的证明一波三折，而且充满复杂的方程和莫名其妙的科学术语，
笔者简单梳理了一下，应该还是能够看个大概的：

首先，在微观尺度上，海森堡不确定性原理告诉我们，

我们不可能确切地知道粒子在某一时刻的确定状态，即不可能同时准确知道粒子在某一时刻的位置和速度，
我们测得粒子的速度越准确，其位置就越不确定，而位置越准确，速度就越不确定，
所以我们无法预测宇宙如何发展。 

不过薛定谔方程马上就跳出来找茬了：

我们虽然无法确切知道粒子的位置和速度，但粒子具有波粒二象性，通过波函数，
我们还是可以知道粒子在某一时刻位置和速度的综合值。

霍金说，好吧，我服了你们人类，姑且认为你们还保有一半预测能力吧。 

但人是生活在宇宙中的，宇宙中的任何细微变化都会影响到未来，就像蝴蝶效应一样，

蝴蝶在北京扇动一下翅膀，就可能在纽约引发一场龙卷风。

根据质能守恒定律，宇宙中的能量和质量是恒定的，所以我们得确保宇宙不会失去一颗粒子，才能保证预测的准确性。但是宇宙中时刻都会有物质落入黑洞消失，我们又没有办法通过霍金辐射知道那些物质信息的波函数，所以另一半能做出确定预言的能力也没有了。

海森堡不确定性原理和薛定谔方程都是量子力学的基础，我们现代的很多科学技术都和它们息息相关，

如晶体管和集成电路，现代化学和生物学等等，至少目前来看它们是实验验证过的有效理论。

所以霍金得出结论，人类想要预言未来，连理论上的希望都没有！

如果有科学家说他可以根据拉普拉斯决定论来精准预言宇宙的行为，那他和算命占星的一样，只能是胡扯！ 

不过在十八、十九世纪，由于牛顿发现万有引力定律，

拉普拉斯决定论可是一遍欣欣向荣的景象，它完全统治了整个科学界。

那时人们普遍认为，一切都是由因果关系联系起来的，世界上一切运动都是由确定的规律决定的；

知道了原因以后就一定能知道结果，现在发生的一切都是由过去所决定的。

甚至连爱因斯坦也说：你信仰投骰子的上帝，我却信仰完备的定律和秩序。 

当然，随着知识的累积和认识的深入，人类现在已经信心爆棚，

科学家们极其厌恶宇宙不可知的思想，现在又在从弦理论上想办法取出被黑洞吞噬的物质，

用薛定谔方程去计算将来的波函数，从理论上占有人类决定宇宙演化的权利。

至于结果如何，我们拭目以待吧。
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假如这个宇宙的造物主在创立世界之初，想给未来的高级智慧生物们留下些信息，

同时又不干扰文明的自然演化，他会如何留下信息呢？ 

 如果你看过三体 —— 不是刻在石头上，上百亿年过去，石头也成灰烬。 要更永恒，更有深意地记下信息，答案是，记在宇宙微波背景辐射 (CMB) 里。

科学家 Hsu 和 Zee 曾写过一篇论文展示他们的计算成果，他们发现 CMB 温度方差的分布可以用来储存信息。在目前的实验条件下，能够解码的最大信息量是 10 的 5 次方比特。 目前的实验精度已经可以成这样的测量了，于是他们决定设立一个研究计划，看看造物主是不是真的有留下信息，他们觉得，这个计划可比寻找外星人有意思多了。 所以，到底听起来很厉害的 CMB 是什么？ 你还不知道宇宙微波背景辐射 (CMB) 是什么？ 其实你已经听过它。 前段时间红极一时的「引力波：科学家首次直接探测到宇宙大爆炸第一波震荡」，就是孜孜不倦的小蓝星人，在宇宙诞生 100 多亿年后的现在，通过观察宇宙诞生 38 万年后的微波背景辐射 (CMB) 找到了宇宙诞生亿亿亿...分之一秒后产生的引力波。

回到 1965 年，贝尔实验室有两位非常厉害的工程师 Arno Penzias 和 Robert Wilson，他们一起做一台低噪音天线。 但是，在调试天线的过程中，他们发现无论天线朝向哪个方向，都能接受到一模一样且很讨厌的背景噪声。起初他们以为是天线被干扰或者故障，反复清理和检查的各个地方后，这个背景噪声依然存在。 这个一噪声和一般的干扰不同，在各个方向上噪声都存在且强度几乎不变，随时间也不发生变化。他们因此判断这肯定和地球自转和公转也无关，只可能来自宇宙背景。 与此同时，那个时代的物理学家们正为「宇宙到底是如何诞生和演化的」争执不休。那时有两大派系，一派认为宇宙是一个稳定且永恒的存在，另一派则认为宇宙起源于一次「大爆炸」，「大爆炸」之后宇宙一直是在动态演化中的，而作为该理论依据的「大爆炸」余热还未被发现。 因此当特殊噪音的消息传到物理学家们耳朵里，他们瞬间就炸锅了。美国科学家 Dicke 还脱口而出了一句著名的话：「Boys, we've been scooped!（弟兄们，我们被抢先了啊啊啊！）」 随后的研究证实，这个噪音的确是充斥在各个方向上的，相当于温度 2.725K 黑体辐射的宇宙微波背景辐射。 CMB 很好地解释了宇宙早期发展所遗留下来的辐射，它的发现被认为是一个检测大爆炸宇宙模型的里程碑。 在这之后，大爆炸理论才被众多科学家所接受，两位意外发现者 Arno Penzias 和 Robert Wilson 也因此荣获 1978 年的诺贝尔物理学奖。 宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光，是宇宙刚刚第 38 万岁时出现在天空上的光。 它显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异，代表着所有未来的结构，是当今的恒星与星系的种子。 科学家 Torsten 曾这么解释宇宙微波背景辐射。 除了引力波，CMB 里还发现了什么重要信息？ 宇宙微波背景辐射里包含的信息，涵盖了一切科幻小说想要的素材。 或许能证明暗物质平行宇宙存在？ 2007 年 8 月，科学家在研究 CMB 信号时发现了一个巨大的冷斑 (cold spot)，其中完全是「空」的，没有任何的正常物质或者暗物质，也没有辐射信号。 后来的研究显示这片神秘的宇宙时空并非完全不存在物质，在其周围存在小规模的星系，比起其他天区的星系，这些星系的跨度以及辐射都十分小，计算表明，宇宙空洞附近天体的辐射量比宇宙中其他可见时空辐射量减少大约 20% 至45%。宇宙中为何会形成如此怪异的时空呢？当前的宇宙大爆炸以及宇宙形成理论很难解释它们的形成机制。 假如造物主有留下信息，那就是在微波背景辐射里 白色的曲线被称为「邪恶的轴心」，右下角有一大块「冷斑」 Laura Mersini-Houghton 博士为主的研究小组认为，这是另一个宇宙存在的证据。根据弦理论预言，宇宙之外还存在其他宇宙，每一个宇宙都拥有独特的物理属性。 另一种观点认为冷斑的出现与宇宙膨胀有关，作为引力长期作用的结果，宇宙中出现了大型空洞，目前观测到的大空洞出现在北半球的天区，科学家预测在南半球天区也存在一处巨大的冷斑，但是研究小组认为宇宙空洞的出现存在随机性。 假如造物主有留下信息，那就是在微波背景辐射里 宇宙大爆炸前还存在另外一个宇宙？ 你知道那个写《皇帝的新脑》的 Roger Penrose 吗？他可是科学界的脑洞大王，曾在 1975 年与霍金一起被授予伦敦皇家天文学会艾丁顿奖，是个将科学与哲学高度结合的科研工作者。 他还曾研究濒死体验，基于意识量子理论，提出：「我们的灵魂包含在大脑细胞中的微管结构。」 说明了什么呢？说明当人类死亡之后，我们的量子灵魂会从身体中释放，重返至宇宙之中。 是不是超级玄幻，但他是超级认真的。 就是这个 Roger Penrose，他在 2012 年称已经发现了宇宙大爆炸之前还存在另一个宇宙的证据。 他在对 CMB 探测数据研究中，发现了 12 个同心圆辐射「印迹」，神秘的同心圆现象，可以认为宇宙之前还有宇宙，也被认为包含了 140 亿年前宇宙诞生时期温度仅有零下 270 摄氏度的信息。

12 个同心圆里有 5 个环具有特别的意义，分别对应着宇宙演化历史上五次大规模的事件。Roger Penrose 和他的研究同伴认为在背景辐射中的神秘同心圆是超大质量黑洞发生碰撞而留下的，这些超大质量的黑洞存在于大爆炸发生之前。 这意味着我们的宇宙将出现一种全新的循环模式：由大爆炸和超大质量黑洞碰撞主导。 这也意味着，宇宙周期存在，从一个永世进入另一个永世。 Roger Penrose 将他的新理论称之为「共形循环宇宙学」。 根据这一理论，黑洞将吞噬宇宙内的所有物质，在此之后，宇宙内就只剩下能量，引发下一次大爆炸。 从一个永世，进入另一个新永世。不断循环。
When you are looking into deep space,
you are looking back in time.