M 理论从本质上说,是一种叫做弦论的理论的最新版本。
长期以来科学家们都有一种朴素的想法,那就是这个世界其实是统一的,世界上的所有基本作用都应该有一个相同的本质。而科学家们又发现,宇宙中的基本作用力其实只有四种,分别是引力、电磁力、强核力和弱核力,正是这四种力驱动了整个宇宙的运转,但这四种力在最根本的性质上完全不同,所以不能再细分。要是有这么一种理论,能把这四种基本力统一在一个框架里,那这个理论就能解释宇宙里所有最基本的现象,这个理论就可以被称为万物理论。
20世纪60年代,意大利物理学家韦内齐亚诺和同事创立了一种叫做弦论的物理理论,就是我们刚才提到的弦论。为什么叫弦论呢?因为这个理论认为,所有的微观粒子,比如电子和中微子,本质上都是空间中一根根微小的弦通过振动产生的,因为弦具有不同的振动状态,所以粒子才会出现不同的种类。这个弦有多小呢?科学家们规定,它的长度是物理学能允许存在的最小长度,用术语说就是一个普朗克长度,大约有1.6*10-33厘米这么小。举个例子,如果你有一个超级显微镜,能以这么小的尺度来观察电子的内部结构,那你就会发现,电子就不再是一个个点状的粒子了,而变成了一根根振动着的弦。当然,这个尺度的显微镜人类目前可造不出来。而如果我们能拨动一下这个弦,让它改变振动的情况,那这个弦产生的电子就会变成另外一种粒子。
弦论高明就高明在这里。因为科学家们发现,目前宇宙中有好几十种各不相同的微观粒子,比如电子、中微子、夸克等等,你不用知道这些粒子都是什么,只需要了解就是这些粒子构成了我们的宇宙,而且它们性质各异就行了,但科学家们总觉得,这么多种奇奇怪怪的粒子出现在宇宙之中,不太符合宇宙本应该具有的简洁性,所以我们现有的描述这些粒子的理论肯定有很大的局限性,而弦论就漂亮地解决了科学家们的疑惑。它告诉我们,构成宇宙的不是表面上这几十种奇怪的粒子,而只是一根根简单的弦。这样一解释,你是不是也觉得豁然开朗了呢?其实,正因为弦论具有这个特点,它才有机会成为万物理论。因为四种基本力本质上都来自不同粒子间的相互作用,要是从传统的思路来发展万物理论,就要面对这好几十种粒子,所以这条路特别难走,而弦论倒简单,直接认为各种粒子的本质都是一根根弦,这样一来,宇宙中四种基本力的来源就都变成了所谓的弦,就能在构建万物理论的路径上少走很多弯路。
1994年,美国物理学家爱德华·威滕等人从数学角度做出了重大突破。他们发现,我们其实可以用一种更包罗万象的理论来把五种不同的弦论统一在一起,而这种包罗万象的理论就是 M 理论。M 理论的突破之处就在于,它可以利用数学方法,用五种方式来演算,变幻成五种不同的弦论,所以它实质上就是五种弦论的统一体,这样就能解决弦论的理论缺陷了。正因如此,M 理论才成为人类今天最接近万物理论的理论。不过虽说如此,但 M 理论至今仍在发展之中,它还不是一个成熟完善的理论。它之所以能在当今物理学界得到科学家的重视,只是因为它有成为未来万物理论的潜质。
平行宇宙至今也只是科学家们认为可能存在的东西,而不是已经确认存在了的。至于平行宇宙到底是什么样子?是不是像漫威漫画里描述的那样,每个宇宙里都有一个自己的分身?还是说不同宇宙之间没有任何联系?这些问题,科学家们目前还都没法回答。所以这部分说的这些证明平行宇宙存在的依据,都只是科学家们的合理推断和猜想而已,要想把这些推断和猜想变成真正的证据,还需要不懈的观察和努力。
M 理论从数学角度对弦论做出了突破,它本身其实是有自己的数学表达方程式的,这个方程式特别复杂,我们就不细说了,但人们在计算这个方程时,发现了成千上万个解。科学家们过去认为,这些解里面只有一个是正确的,这个正确的解就是描述我们宇宙的解,但直到今天,还没人能把这个唯一的解筛选出来,所以有越来越多的科学家认为,如果我们没有办法给弦论的方程式找到一个独一无二的解,那干脆就别费这个劲儿了,因为所有的解可能都是对的,每个解都对应着一个平行宇宙。这个观点听起来还挺疯狂的,但从逻辑的角度讲也确实有它的道理,因为如果我们的宇宙只对应一个解,而且所有的解都没办法判断对错的话,那我们就只能认为每个解都对应着一个平行宇宙。从这个角度来看,M 理论确实证明了平行宇宙存在的可能性。
除此之外,第二个角度为我们展示了 M 理论支持平行宇宙存在的可能性,这个角度和暗物质有关。所谓暗物质,是科学家们发现的一种性质特别奇怪的物质。一方面,宇宙里暗物质的总质量,是所有可见物质总质量的约6倍,数量巨大而且分布广泛;但另一方面,暗物质却又看不见摸不着,没办法和其他物质发生反应,科学家们只能通过暗物质所产生的引力,间接地观察到它们的存在。正因为暗物质有如此奇特的性质,科学家们才非常好奇,想知道这些暗物质到底是从哪来的,而 M 理论恰好能给科学家们一个合理的答案,那就是暗物质来源于平行宇宙。因为 M 理论推导出,引力可以穿越时空的界限,抵达其他的宇宙空间,也就是说,平行宇宙中的星系产生的引力,可以抵达我们的宇宙,从而被我们观测到,所以我们虽然看不到其他宇宙中的星系,但是却能通过观察它们产生的引力,间接地发现它们的存在,这就是暗物质的来源。从这个角度来看,平行宇宙这个概念可以解决物理学界中难以解释的暗物质难题。M 理论再次支持了平行宇宙存在的可能性。
第一位是美国物理学家安德烈·林德。林德曾经提出过另一种观点,他认为宇宙是通过膨胀产生的。通俗地说,宇宙其实就像吹肥皂泡一样,有可能在任意随机的时间和空间中自发地膨胀和破裂,凭空的膨胀能诞生一个宇宙,而破裂会让一个宇宙消亡。不同宇宙的膨胀程度不一样,有的宇宙刚膨胀起来就破裂了,那这个宇宙就消亡了;还有的宇宙能一直膨胀下去,最后就形成了适合生命生存的宇宙,比如我们这个宇宙。所以他猜想,宇宙的膨胀和破裂是持续的和永恒的,新的宇宙一直在诞生,旧的宇宙随时可能消亡,所以宇宙不会只有一个。林德的这个假说很有道理,因为林德的猜想并不违背人类对宇宙的已有认知,而且从哲学的角度来看,如果我们认为宇宙是通过某种过程产生的,那这种过程就没理由只发生一次,所以说,只要我们承认一个宇宙可以被创造出来,那我们就几乎要被迫承认,无限多个平行宇宙也可以被创造出来。
除了林德之外,还有英国天文学家马丁·里斯的观点。里斯认为,生命的诞生条件是很苛刻的,而我们的宇宙恰好满足能产生生命的所有条件,那这就不应该只是一个巧合,我们也不应该把它当成一个巧合。要想解释这个现象,就最好假定存在着无数个宇宙,在这么多宇宙里,大多数都不具备产生生命的条件,比如有的宇宙里强核力的强度不够,那这个宇宙里的质子和中子就没有办法在强核力的作用下结合形成原子,连原子都没有,那这个宇宙就不可能产生生命,但我们这个宇宙,恰好就满足诞生生命的所有条件,所以才有了今天的人类文明。也就是说,我们的宇宙并不是一个巧合,而是平行宇宙的数量足够多之后,在统计学规律上必然出现的结果。
目前,宇宙大爆炸理论,是人类所有关于宇宙演化的理论中最被科学家们认可的一个。大爆炸理论猜想的是,宇宙是从一个叫做奇点的无限小的点爆炸而来的,奇点爆炸之后就一直在不断膨胀,一直过了137亿年才形成了今天我们所看到的宇宙,而且这个膨胀的过程一直还在持续着。目前科学家们还没法确定,这个膨胀的进程是会一直持续下去,还是有一天会停止,所以说,世界末日可能会有两种形式:第一种是,宇宙会像现在一样继续膨胀,而且无限膨胀下去,最后所有生物灭亡;第二种是,宇宙有一天会停止膨胀,然后开始收缩,进行一个大爆炸的反向过程,最后宇宙里所有的物质都会收缩到一个点上,然后同样的,所有生物都会灭亡。
为啥两种情况下生物都会灭亡呢?让我们来听听解释。先来说宇宙无限膨胀的情况。宇宙中所有发光发热的恒星,我们可以把它们类比成煤球,虽然可以点着,但总有一天会熄灭。也就是说,所有的恒星都是有寿命的,时间如果无限制地流淌下去,那总会有所有恒星都熄灭的一天。没有了恒星的能量输入,生命就没法生存,就好比没了太阳,地球的生命就都会灭绝一样。而且热力学第二定律还指出,如果宇宙不断膨胀,那宇宙的温度就会不断降低,直到无限接近物理学允许的最低温度,也就是绝对零度。在绝对零度下,所有的原子都会停止移动,所有的能量都无法传递,而能量是生物生存的必须条件,所以作者认为,如果宇宙无限膨胀下去,那肯定有一天所有的生物都会灭绝。说完了无限膨胀的情况,我们再来看看宇宙停止膨胀开始收缩的情况。和无限膨胀相反,宇宙如果不断收缩的话,温度就会反向变化,也就是一直升高,直到缩成大爆炸刚开始的那个奇点。这样一来,不仅温度会高到无限大,而且宇宙的空间也会被压缩到零,所以所有的生物肯定也都活不成。而且作者指出,从近些年的观察数据来看,目前宇宙的膨胀速度越来越快了,所以宇宙更有可能会无限加速膨胀下去,也就是说第一种结局更有可能出现。
听到这是不是觉得挺可怕的,人类只要在这个宇宙里生存下去,就肯定会有灭绝的那一天,那我们该怎么办呢?先别急,就算有宇宙末日,那离现在也还远着呢,刚才预言的那两种情况,至少也是 n 万亿年之后的事了,人类现在还有的是时间去发展科技,找到战胜命运的办法。虽然现在我们还不知道先进的宇宙文明可以怎样摆脱灭亡的命运,但是作者认为,我们可以用现有的知识去猜想。俄罗斯物理学家尼古拉·卡尔达舍夫,曾经就提出过宇宙中智慧文明等级的分类方法,他把文明分成三等,用罗马数字的 Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ 来标记。Ⅰ 类文明指的是能掌握行星级别能量的文明;Ⅱ 类文明则可以掌握一颗恒星的能量;Ⅲ 类文明指的是能掌握一整个星系所包含能量的文明。每类文明和更低一等级文明之间的差距约为100亿倍。人类文明目前还达不到 Ⅰ 类文明的水平,因为我们还不能随心所欲地掌握地球上的所有能量。科学家们估算,人类文明目前只能算是0.7类文明,而只有达到 Ⅲ 类文明时,我们可能才会拥有逃离这个宇宙的能力。
先让我们乐观地假设,人类还可以安全快速地发展很长很长时间,最终达到 Ⅲ 类文明,那如果有一天未来人类铁了心,要趁宇宙灭亡前离开我们这个宇宙,那还必须经过一系列的步骤。
第一步,未来人类要创立一个万物理论。这个理论肯定要能解释宇宙中一切的基本现象,然后还需要用先进技术对这个理论进行验证,这样他们就能弄清楚很多方案的可行性了,比如怎么打开通往另一个宇宙的时空隧道。第二步,进入时空隧道或者制造一个新宇宙。未来人类可以通过先进的技术找到宇宙中自然存在的时空隧道,甚至可以自己制造出来时空隧道,这样就能前往其他的平行宇宙。或者人类也可以自己创造一个平行宇宙,因为到那时候,人类说不定就掌握了主动引发宇宙大爆炸的能力,可以在自己身边再造一个宇宙。第三步,如果刚刚说的所有路都被堵死,未来人类发现自己确实没有办法进行宇宙间的穿越,那唯一的出路可能就是再造文明了。霍金认为,根据量子理论的原理,如果物体的尺寸足够小的话,那这个物体就有可能进行时空穿越。如果未来人类能把自己的文明信息放到一个特别小的载体上,那或许就能让自己文明的信息穿越到另一个宇宙空间,这样一来,承载着人类文明种子的载体,也可以肩负起重担,在平行宇宙中再造人类文明。