问世间时空为何物？

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时间为什么没有箭头

从表面上看起来，时间很平凡，就像一条单行道，但从物 理的观点来看，过去、现在和将来都是同时发Th的。针对这个 明显与事实矛盾的问题，物理学家们提出了不计其数的解释， 但是没有一个解释能让人满意。

弦理论

弦理论的一个基本观点 是，自然界的基本单元不是 电子、光子、中微子和夸克 之类的粒子，这些看起来像 粒子的东西实际上都是很小 很小的弦的闭合圈（称为闭 合弦或闭弦），闭弦的不同 振动和运动就产Th出各种不 同的基本粒子。弦理论是现 在最有希望将自然界的基本 粒子和四种相互作用力统一 起来的理论。

“Emoclew dna olleh.”2007年10月，在 纽约科学院召开的一场学术会议上，美国 哥伦比亚大学的弦理论专家布莱恩·格林（Brian Greene）以此作为开幕词。接着， 他解释说：“ 如果你明白这是在倒着说 ‘Hello and welcome.’（你好，欢迎）， 大概你就没必要出席这场会议了。”

但是，场内众多世界顶尖理论物理学 家和宇宙学家没有一个人离开。他们聚集 一堂，就是为了挑战时间的奥秘。望远镜 观测的新结果和关于量子引力的新看法让 他们相信，是时候重新检验时间本身了。 美国麻省理工学院的宇宙学家马克斯·特 格马克（Max Tegmark）说：“我们已经 用其他更难回答的问题，解答了有关时间的经典问题。” 从表面上看起来，时间很平凡，就像一条单行道：打散的鸡蛋不会恢复原样，眼角的鱼尾纹不会自动消失（如果你没有注射肉毒 杆菌除皱的话），你的祖父祖母也永远不会比你年轻。但是宇宙的 基本定则似乎都表现出时间对称性，这意味着它们不受时间流向的影响。从物理学的观点来看，过去、现在和将来都是同时发生的。

针对这个明显与事实矛盾的问题，过去一个多世纪里，物理学 家已经提出了不计其数的解释，从心理学（时间流 动是个幻觉）到物理学（量子力学的一些未知 特性可以调和这一矛盾），应有尽有。但 是， 没有一个解释能让人满意。 1927 年，天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）将时间的单向 性凝练成一个术语——“时间箭头”（time’s arrow），并把它和熵联系起 来：随着宇宙越来越老，它会遵从热 力学第二定律，变得越来越无序。

但科学家们无法解释，为什么有序存 在于过去，而无序出现在未来。这个解释似乎 很难捉摸，甚至有人认为，把时间箭头与熵联系起 来干扰了其他更加“ 认真” 的研究。 物理学家理查德· 费曼（Richard Feynman）在1963年参加一次会议时，甚至拒绝对“时 间箭头是他的功劳”这一说法做出任何评论，并且坚持让自己在会 议记录上用“X先生”的名字出现。

“这个问题介于科学与哲学之间，许多人在这个‘交叉领域’ 中会感觉浑身不自在。”美国北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校的物 理学家、 2007 年“ 时间大会” 协办者劳拉· 梅尔西尼－ 霍顿（Laura  Mersini-Houghton）说，“过去20年来，这一领域几乎没有取得进展，因为没有什么新东西好说。” 现在，得益于更强大的观天利器，上述情况有所改观。宇宙微波背景辐射作为大爆炸的遗迹，显示了宇宙创生38万年后的情景：早期宇宙充斥着炽热气 体，它们均匀分布、高度有序。在经历了暴胀（inflation）之后，有序的早期 宇宙才变成今天我们所熟悉的、由恒星和原子构成的无序宇宙。

不过，早期宇宙为什么如此有序（物理学家认为这种状态极不合理）？是 什么原因让宇宙如此快速膨胀？这些问题仍然令人迷惑。美国加州理工学院的 宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说：“如果打破砂锅问到底的话，时间 箭头就等于在问，为什么早期宇宙会是那个样子？”更复杂的是，宇宙目前正 在经历另一个膨胀过程，由于神秘暗能量的作用，宇宙中的星系正以越来越快 的速度相互远离。“宇宙似乎会永远膨胀下去，变得越来越冷，与早期宇宙的 状态差异也就显得更为惊人。”卡罗尔补充道。

就像梅尔西尼－霍顿说的那样，她和同事将这一领域最出色的一些头脑召 集在一起，是因为“我们不能继续把这个问题像灰尘一样扫到地毯下面藏着， 希望它会被其他什么东西解决掉”。与会的都是杰出的物理学家，如格林、特 格马克、加拿大安大略省圆周理论物理研究所的李·斯莫林（Lee Smolin）、 美国亚利桑那州立大学的保罗·戴维斯（Paul Davies）和美国加利福尼亚大学 戴维斯分校的安德烈亚斯·阿尔布雷克特（Andreas Albrecht）。他们从弦理 论、黑洞方程和多重宇宙理论出发，提出了各种可能的解释。

在众多对早期宇宙为何如此整洁的理论解释之中，“多重宇宙”的概念最 受欢迎，至少被提及的次数最多。梅尔西尼－霍顿说：“如果能够接受我们生 活的宇宙只是众多可能的平行宇宙的其中之一，多重宇宙就是最为合理的解 释。”那些一开始就更加混乱的宇宙，也许无法维持或演化到足以产生智慧生 命的地步。因此，从这个意义上来讲，时间的单向流动，甚至包括我们自身的 存在，都只是一个巧合而已。

一些与会者说，理解时间的本质对于回答其他基本问题至关重要，如奇点

（singularity）中心发生了什么、宇宙膨胀会不会发生逆转导致宇宙坍缩等。 随着宇宙学观测数据的不断累积， 物理学家做出的有关时间本质和早期宇宙的预言很快就可以通过新的观测予以检验。梅尔西尼－霍顿说： “我们现在能够观测到比以前多得多的东西，也就是说，（在理解 时间本质方面）我们可以更加大胆一些。”一切只是一个时间问题 而已。

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我们身处十维空间

弦理论认为，至少需要10个维度才能建立使引力和量子力 学相互兼容的理论框架，宇宙中所有的普通粒子都被局限在一 个四维的膜宇宙中，只有几种特殊粒子可以从膜空间中穿进穿 出。费米实验室的观察结果与这一预言十分接近。

微子可算是粒子物理中的一个异类——既不带电荷，也很少 与其他粒子相互作用。它们可以分为三类——电子中微子、μ中微子和τ中微子，而且在传播过程中，会疯狂地在不同类的中 微子之间振荡变换。过去五年来，美国费米国家加速器实验室（位 于伊利诺伊州巴达维亚市）的研究人员，一直在向迷你增强型中微 子实验（MiniBooNE）探测器发射μ中微子束，看看到底有多少粒 子在飞行途中转变成了电子中微子。MiniBooNE探测器是一个巨大的球形水箱，其中装有满满800吨矿物油，用来探测电子中微子。

2007年4月，研究人员公布了首批结果，基本上与粒子物理标准模 型吻合。不过，数据中也存在一个无法解释的异常现象，它或许打 开了一扇通向更奇异的物理世界的大门。科学家推测，导致这一异 常现象的原因在于，世界上还存在另一种全新的中微子，它能穿越 弦理论所预言的额外维度，走出一条捷径。

科学家开展此项研究的动机，源于美国洛斯阿拉莫斯国家实验 室在20世纪90年代进行的一项实验。在那项实验中，科学家找到了 第四类中微子——惰性中微子（sterile neutrino）存在的证据。这种 假定存在的粒子比其他三类普通中微子更加诡异，因为它不像其他中微子那样受到弱核力（ weak nuclear force）的作用，只能通过引力与其他物质 发生相互作用。惰性中微子的存在将直接 挑战粒子物理标准模型的正确性，因此， 研究人员迫切渴望实施另一项类似的实 验， 来证实或者推翻这一发现。 不过， MiniBooNE实验的结果却是一个大杂烩。 对于能量范围为4.75亿～30亿电子伏特的 中微子而言，发生中微子振荡的数目与标一位研究人员正在检查光电倍增管， MiniBooNE探测器就是用这种光电倍增管来探测中 微子与其他粒子发生相互作用时发出的闪光的。

准模型的预言精确吻合；而在能量较低的区域，研究人员发现电子 中微子的数目明显偏多。更奇怪的是，三位物理学家已经预料到了这一结果。他们的 研究工作是弦理论的副产品。弦理论确信，至少需要 10个维度才能建立一个理论框架，让引力与量 子力学相互兼容。为了解释为什么我们无 法感知到额外的维度，弦理论科学家假 定，宇宙中所有的普通粒子也许都被 局 限 在 一 个 四 维 的 膜 宇 宙（brane）中，而膜宇宙又飘浮 在 一 个 更 高 维 度 的 体 宇 宙（bulk） 里，就像一片巨大 的捕蝇纸悬浮在空中一样。 不过， 几种特殊的粒子可 以从膜空间中穿入穿出， 其中最出众的就是引力子（graviton，传播引力的粒 子） 和惰性中微子。 2005 年，美国亚拉巴马大学的海  因 里 希 · 帕 斯 （ H e i n r i c h P a s ） 、 夏 威 夷 大 学 的 桑 迪普·帕克瓦萨（Sandip Pakvasa） 和范德比尔特大学的托马斯· 魏勒（Thomas J. Weiler）提出，如果膜空间是 弯曲的，或者在微观上受到了扭曲，那么惰 性中微子就会从体空间中的捷径中穿过。这些捷径 可以影响中微子振荡，在特定的能量范围内增加某一种转变的发生概率。

MiniBooNE的实验结果与帕斯、帕克瓦萨和魏勒的预言十分接 近。一些参与实验的研究人员因为两者如此相似而震惊，甚 至给三位理论物理学家发去电子邮件表示祝贺。MiniBooNE小组的新闻发言人比尔·路易斯（Bill Louis）在邮件中写道：“你们的 模型看上去与我们在低能端观察到 的电子中微子数量偏多的现象十 分 吻 合 ， 这 确 实 令 人 吃 惊！”科学家此前从未在实验 中 找 到 过 弦 理 论 的 证 据，因此，证实额外维 度的存在确实是一件了 不起的突破。

也有物理学家谨慎 地指出，这种相似性也 许不过是一场离奇的巧 合。MiniBooNE的研究 人员正在重新审视他们的 结果，以确定背景效应或 分析失误会不会影响他们对 电 子 中 微 子 的 计 数 。 与 此 同时，帕斯和他的同事也在进一步 修正他们的理论。帕斯承认：“我们 的理论粗看上去有一点儿投机取巧。不 过，我认为，仔细探讨一种可能的解释，看看它能否被证实，这也是绝对必要的。”

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捕捉额外维度的旅行者

我们熟悉的维度为四维，包括三维空间和 一维时间，如果探测到四维之外的额外 维度，那肯定是物理学史上惊天动地的发现。 现在，美国费米国家加速器实验室（位于伊利 诺伊州巴达维亚）的科学家正在设计一项新的 实验，能够对那些可以证明额外维度确实存在的诱人迹象详加探查。 费米实验室有一个名叫“迷你增强型中微子实验”（MiniBooNE）的研究项目，专门检 测一类难以捉摸的亚原子粒子 —— 中微子。 2007年，参与该项目的科学家声称，他们在实 验中发现了令人惊奇的异常现象。中微子质量 极小，不携带电荷，通常在核反应及粒子衰变 的过程中产生。中微子可以分成三类，在粒子 物理学中称为三“味”，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。在传播的过程中，中微子会在三“味”中激烈地来回振荡。在观测由费米实验室的一台 粒子加速器产生的μ子中微子束流时，MiniBooNE的研究人 员发现：在能量低于4.75亿电子伏特的低能范围内，μ子中 微子转变成电子中微子的数目大大超过人们的预期。在对数据进行了一年的分析之后，这些研究人员没能给这种所谓的“低能过量”现象找到一个正统的解释。这一神秘现 象将人们的关注点引向了一个饶有趣味的非正统假设——也 许有第四种中微子在额外维度上跳进跳出。

弦理论学家一向致力于将量子力学与引力理论统一起 来，他们早就预言了额外维度的存在。一些物理学家已经 提出，或许宇宙中几乎所有的粒子都被约束在一张四维的“膜”上，这张膜镶嵌在一个十维的“块”中。不 过，有一种被称为惰性中微子的假想粒子只能通过 引力与其他粒子发生相互作用，它们能够取道额外 维度上的捷径在这张膜上穿进穿出。2005年，现任 职 于 德 国 多 特 蒙 德 大 学 的 海 因 里 希 · 帕 斯（Heinrich Pas）、美国夏威夷大学的桑迪普·帕克 瓦萨（Sandip Pakvasa）和范德比尔特大学的托马 斯·魏勒（Thomas J. Weiler）预言，惰性中微子的 额外维度之旅能够增加低能范围内中微子的振荡概 率， 这正是Mini Boo NE在两年之后得到的实验 结果。

有 望 发 现 物 理 学 新 规 律 的 前 景 大 大 鼓 舞 了 MiniBooNE研究组，他们很快提出了名为“微观增 强型中微子实验”（MicroBooNE）的后续实验构 想，以便对惰性中微子假设进行检验。构想中的新 探测器是一个装有170吨液态氩的低温大罐，它对 低能粒子的探测将比前任探测器更准确。在中微子 相互作用中涌现的粒子能电离所经路径上的氩原 子，从而在放置于大罐内壁的金属线圈阵列中激发 感应电流。科学家可以据此探明粒子的运动轨迹， 从而更好地将中微子相互作用与其他事件区分开 来，进而确定低能范围内是否真的存在数量超出预 期的振荡。

MicroBooNE预计花费1,500万美元，将被建造 在费米实验室MiniBooNE探测器附近，以便两者能 够观测同一束中微子束流。2008年6月，费米实验 室物理专业委员会已批准该项目进入设计阶段；如 果一切进展顺利，探测器最快将于两年后投入运行。研究人员希望MicroBooNE能对后继的更大型探测器起 到抛砖引玉的作用。那些更大型探测器将能容纳数10万吨 液态氩，储液罐将像体育场一样巨大。这样的装置还能搜 寻其他假想现象，如极为罕见的质子衰变。耶鲁大学物理学家、 Micro Boo NE项目发言人邦尼· 弗莱明（ Bonnie Fleming）说：“这是一项了不起的新技术，将对物理学跨 入下一个阶段起到至关重要的作用。”

中微子捕手邦尼·弗莱明和米歇尔·索德伯格（Mitchell Soderberg）正在 检查氩中微子探测器（ArgoNeuT），这是液态氩探测器的原型机，将为费米实验 室的MicroBooNE项目铺平道路。