从弦理论和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。

暴胀宇宙一种更新版的大爆炸理论，认为宇宙非常年幼时，曾经过一个暴胀阶段。地点不同，温度会有所不同。但是如果只考虑初期宇宙中极小的一块区域，则可以认为这个小区域具有均匀的温度。如此小的一块区域，在它还来不及非均匀化的一瞬间如果就急剧膨胀为很大的宇宙的话，那么在这个宇宙中的温度自然也就是基本均匀的。按照这种思路，那么，在现在的宇宙中观测到来自宇宙一切方向的背景辐射所对应的温度基本一致，也就不足为怪。

不管是标准的大爆炸理论还是暴胀的宇宙理论，我们都没办法解释事物到底是怎么开始的，我们也不知道我们的宇宙学理论是否合理。关于弦理论和M理论，我们今天的认识还非常肤浅，不能决定一个“包罗万象”的理论，也不能决定它自己的宇宙学初始条件。当然也就不能把它提到物理学定律的高度。我们还将继续探寻宇宙的终极理论到底是什么。我们的宇宙有可能是一个巨大天空的一个小部分，汪洋大海宇宙岛中的一个，因此也有科学家提出多重宇宙的概念，但是多重宇宙的假设至少可以让我们更加宁静，别总想着去解释我们的宇宙为什么会是这个样子。更激进的思想来自于宾夕法尼亚州立大学的斯莫林，他提出每一个黑洞都是一粒新宇宙的种子，新宇宙从种子爆发出来，但永远藏在黑洞视界的背后。

但是不管怎样，引力的量子理论经过超弦理论的发展，为我们带来了信心和希望，我们相信，经历千辛万苦之后，我们一定能带着某些最深沉的问题的答案，重新走出来。