為什么要研究宇宙？

“研究宇宙有什么用，無非是滿足人類自己的好奇心罷了”。其實(shí)話要這么說也沒錯(cuò)，畢竟科學(xué)的源頭本就是人類對(duì)好奇心的滿足。那今天我們就單純從好奇心的角度來開個(gè)腦洞：假如以現(xiàn)有的科學(xué)理論（不考慮技術(shù)可行性），如何構(gòu)建一個(gè)宇宙出來。

當(dāng)今描述宇宙主要基于的是廣義相對(duì)論，那通過廣義相對(duì)論能否構(gòu)建一個(gè)宇宙出來呢？

我們知道，廣義相對(duì)論講的是“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”，說到底它只是用來描述引力的一套理論。而構(gòu)成宇宙的，除了宏觀的大尺度結(jié)構(gòu)，更少不了構(gòu)成宇宙萬物的微觀粒子。

構(gòu)建萬物要先構(gòu)建粒子，構(gòu)建粒子自然少不了量子力學(xué)。如今在基于量子力學(xué)的粒子物理中，標(biāo)準(zhǔn)模型是目前公認(rèn)的最靠譜的一套理論。它不僅描述了構(gòu)成物質(zhì)所需的各種費(fèi)米子，同時(shí)還囊括了承載它們之間相互作用的各種玻色子。

那是否可以通過粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型來構(gòu)建所有基本粒子，從而構(gòu)建出整個(gè)宇宙呢？

很可惜，也不行。

首先，標(biāo)準(zhǔn)模型它并不完美，目前仍然存在諸多待解決的問題：比如為什么中微子會(huì)有質(zhì)量？為什么沒有右旋中微子？希格斯粒子的質(zhì)量到底怎么回事？等等等等……

除此之外，標(biāo)準(zhǔn)模型中還缺少一些粒子，比如引力子和未知的暗物質(zhì)粒子，這些都是目前標(biāo)準(zhǔn)模型無法解決的問題。所有這些都預(yù)示著標(biāo)準(zhǔn)模型并不是所謂的“終極理論”。

要想構(gòu)建宇宙萬物，自然需要一個(gè)能夠解釋一切的理論，也就是“萬物理論”。作為萬物理論的候選者之一，弦理論或許值得嘗試一下。

作為被人類“提前發(fā)現(xiàn)”的一套理論，弦理論不僅包含了標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有基本粒子，還包含了描述引力的引力子。此外由于引入了一維的弦，這就避免了標(biāo)準(zhǔn)模型中無體積的點(diǎn)粒子計(jì)算發(fā)散的問題。

好了，選定了理論基礎(chǔ)，下面就可以開始實(shí)操了。

由于我們是“構(gòu)建”一個(gè)宇宙，而非“創(chuàng)造”一個(gè)宇宙，所以我們不需要“大爆炸”，只需要一份“原始能量”。注意：這個(gè)能量并非通常意義上的能量，而是類似初始條件的一種東西，類似宇宙的“第一推動(dòng)力”。

在“第一推動(dòng)力”的推動(dòng)下，我們用“弦”的形式，通過不同振動(dòng)方式，從原始能量中構(gòu)建出各種基本粒子，包括標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子和不在標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子。此時(shí)粒子的質(zhì)量來源已不再靠希格斯機(jī)制，而是統(tǒng)一通過弦的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)過程有點(diǎn)類似小提琴奏樂：一個(gè)“A 大調(diào)”會(huì)激發(fā)出一個(gè)“上夸克”，一個(gè)“C 小調(diào)”會(huì)激發(fā)出一個(gè)“電子”等等。

不過根據(jù)弦理論，弦可以分為開弦和閉弦兩種。開弦就像一段繩子，而閉弦就像一根綁頭發(fā)用的皮筋，只不過它們都是沒有粗細(xì)的一維結(jié)構(gòu)。剛才激發(fā)出的基本粒子，其實(shí)都屬于開弦，而要構(gòu)建出引力，則要激發(fā)出閉弦才行。

既然能夠通過弦構(gòu)建基本粒子，那么用基本粒子構(gòu)建宇宙萬物自然不在話下?，F(xiàn)在的問題是：這條弦該如何構(gòu)建呢？

在“弦理論之王”的 M 理論中，超引力方程的解并不是一維的弦，而是二維的膜。也就是說，一種二維膜在卷曲了一個(gè)空間維度后，它便成了先前認(rèn)為的一維的弦。

一維的弦延伸在兩張高維的膜之間，由它激發(fā)出的粒子的質(zhì)量和這兩張膜之間的距離成正比。也就是說，我們可以通過控制不同膜之間的距離，來產(chǎn)生不同的基本粒子。當(dāng)需要光子、膠子這樣的無質(zhì)量粒子時(shí)，只需要把兩張膜貼在一起就好了。

不管是有質(zhì)量粒子還是無質(zhì)量粒子，費(fèi)米子也好玻色子也罷，現(xiàn)在它們都能通過控制“膜間距”的方法用弦來構(gòu)建了。如此構(gòu)建物質(zhì)和能量都沒問題了。

但是此時(shí)有個(gè) bug：我們發(fā)現(xiàn)構(gòu)建出的光子質(zhì)量不為零！若要修復(fù)此 bug，則需引入額外的空間維度。

在 M 理論中，我們的空間需要是 10 維的，在能夠感知的三個(gè)可以無限延伸的維度之外，還存在六個(gè)有限大小的維度。由這六個(gè)有限維度構(gòu)成出來的空間就是卡拉比-丘空間。

卡拉比-丘空間也叫卡拉比-丘流形，它是一種緊致且不含物質(zhì)的超對(duì)稱空間，說人話就是：這是一種有限的空間，它里面即使不存在物質(zhì)也有引力場(chǎng)。

按廣義相對(duì)論的觀點(diǎn)，存在引力場(chǎng)說明應(yīng)該有物質(zhì)存在（“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲”嘛），嚴(yán)格一點(diǎn)至少也得有能動(dòng)張量。但在卡拉比-丘空間中，這里的空間本身就是彎曲的，不需要有質(zhì)量的物質(zhì)存在，可以說天生自帶引力場(chǎng)。

看來弦理論只有在“高維宇宙”中才能自洽，所以我們需要構(gòu)建一種卡拉比-丘這樣的高維空間，只有通過這種高維空間構(gòu)建出的粒子，才符合我們熟悉的粒子的性質(zhì)。

但是我們所能感知的空間維度只有三維，高維空間具體是個(gè)什么樣呢？

注意：這里的高維空間可不是像《三體》里那種“隔空取物”，更不是時(shí)空穿越（因?yàn)檫@里一直在說空間維度，而非時(shí)間維度）?？ɡ?丘這種高維空間你可以認(rèn)為是一種獨(dú)立的小空間，小到普朗克尺度，和我們宏觀的三維空間完全不相關(guān)。

真實(shí)的卡拉比-丘空間應(yīng)該是種扭曲的形態(tài)，而且理論上存在許許多多各種各樣的扭曲形態(tài)?？紤]到我們只是構(gòu)建一個(gè)宇宙，所以不需要構(gòu)建太多形態(tài)。

于是，通過高維的卡拉比-丘流形以及二維膜，我們可以創(chuàng)建出各種基本粒子，然后通過這些基本粒子繼續(xù)創(chuàng)建各種重子等復(fù)合粒子，隨后原子、分子以及復(fù)雜的物質(zhì)也可以陸續(xù)被創(chuàng)建。至此，一個(gè)和我們的宇宙十分相似的“宇宙”便被構(gòu)建了出來。

哦，好像還少了一個(gè)東西…… 暗能量，不過這個(gè)問題到不大。反正我們不是從“大爆炸”開始，沒那么多時(shí)間等它去慢慢演化，我們就直接構(gòu)建一個(gè)不會(huì)加速膨脹、已經(jīng)足夠成熟的“成品”宇宙就好了。

雖然構(gòu)建出的“宇宙”和我們的宇宙很相似，但是假如我們真有構(gòu)建宇宙的能力，相信你更想嘗試構(gòu)建一個(gè)不那么一樣的宇宙。畢竟“能力越大，好奇心越大”，都已經(jīng)能夠操控弦了，對(duì)宇宙的底層參數(shù)改一改調(diào)一調(diào)相信一定很有意思。

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本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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