大爆炸之前的宇宙：宇宙学与弦理论

作者：[德]毛瑞兹欧*伽斯裴瑞里

目 录

前 言

1. 引言

2. 广义相对论与标准宇宙学

3. 弦论、对偶性与原始宇宙

4. 弦论

5. 宇宙的膨胀和诞生

6. 引力辐射的宇宙学背景

7. 原始宇宙的其它遗迹

8. 量子宇宙学

9. 我们宇宙的未来

10. 近期发展：膜宇宙学图景

11. 结论

参考文献

索引

(封面设计：译者。细心的博友可发现我把卡丘流形放在了整个大爆炸冲击波球中心，当然实际恐怕比其更复杂，瞬子是超级奇异的高维流形。）

前 言

   准备本书的想法变成了一系列讲座，研究班在意大利各大学中坚持了几年。在学生和不专攻该领域的同事中激起的兴趣也表现于演说中---使我产生对新生的弦宇宙学领域写一本非技术介绍的想法，对象是比起通常参加国际会议和理解专业期刊的专业团体更为广泛的读者群。

本书的挑战是呈现一种新的可能图景---理论物理近期发展出现的原始宇宙，但对太多的数字和方程无计可施，而采用一系列示意图代替。本书是讲义性的，特别对于那些至少有一些基础（高校）物理知识的读者，但对于有学院背景的读者是不必要的。结果，很多主题的讨论将是定性的，通常是不完备的，而且又是甚至是十分近似的。无论如何，我希望本书提供的引介图片将足够细致的使读者理解最新的宇宙模型和关键的基本思想，尤其是它们如何采用流行技术提供的实验工具来检验。

对这种思想的物理基础深深地植根于所谓的弦的理论（或简称弦论）中。在现代物理学中，弦论在原则上对所有自然力作完备而统一的描述，尽量提供了一种强有力的理论构架---实际上是当前在可以一种自洽方式包涵引力的唯一理论方案，甚至是在量子体制中。弦论的一种可能结果是初始大爆燃（the great initial deflagration）的宇宙图景，一般称为大爆炸，可能不一定符合我们宇宙的诞生；而这只是全部宇宙史上的一个过渡步骤。假设该图景潜在切题（和可能冲击甚至完全超出其科学应用），可试图奉献给非专业读者。

本书的当前版本部分基于早期意大利版本，已广泛考虑了最近的理论和实验---早期宇宙物理中的发展成果。我应特别提及的是WMAP卫星在实验方面的最新成果（2006年）和基于在理论方面的膜相互作用（brane interaction）的暴胀图景。另外，前一版本已完成了与弦论有关的新图和重要的新说明部分，其革命性对我们理解基本物理产生冲击。

感到愉快的是，也是一种责任，感谢很多研究者，我曾与他们对弦宇宙学的各方面研究多年，并且我希望继续合作。他们按字母顺序是：卢卡*阿门多拉（Luca Amendola；意大利罗马天文台），瓦雷瑞欧*博扎（Valerio Bozza；意大利萨勒诺大学），拉姆*布茹斯廷（Ram Brustein；以色列比尔希瓦大学），亚历山大*波南诺（Alessandra Buonanno；美国马里兰德大学），西里尔*卡铁尔（Cyril Cartier；瑞士日内瓦大学），马克*卡瓦吉里亚（Marco Cavaglià；美国密西西比河大学），欧几里奥*可可西亚（Eugenio Coccia；意大利罗马第二大学，意大利拉圭拉的格兰萨所国家实验室的现主任），厄德蒙得*克皮兰德（Edmund Copeland；英国诺廷翰1大学），朱塞佩*德*瑞斯（Giuseppe De Risi；巴瑞大学，现在英国港口2大学），儒斯*杜日尔（Ruth Durrer；瑞士日内瓦大学），马斯摩*吉渥梵尼尼（Massimo Giovannini；意大利都灵大学，现在瑞士的CERN），米歇尔*马吉瑞（Michele Maggiore；瑞士日内瓦大学），吉南*马哈拉纳（Jnan Maharana；印度布巴内斯瓦尔大学），克瑞斯*梅森尔（Kris Meissner；波兰华沙大学），斯拉瓦*马克哈诺夫（Slava Mukhanov；德国慕尼黑大学），斯特法诺*尼科垂（Stefano Nicotri；意大利巴瑞大学），菲德瑞克*皮亚扎（Federico Piazza；意大利米兰“比科卡”大学，现在加拿大圆周理论研究所），罗伯特*瑞克希（Roberto Ricci；意大利罗马第三大学），麦瑞*萨克拉亚都（Mairi Sakellariadou；希腊雅典大学，现在英国伦敦国王学院），诺玛*圣奇兹（Norma Sanchez；法国巴黎天文台），多米尼克*托西尼-瓦伦提尼（Domenico Tocchini-Valentini；意大利罗马天文台，现在美国巴尔提摩约翰*霍普金斯大学），卡罗*文伽瑞里（Carlo Ungarelli；意大利比萨大学），以及伽布瑞里*韦里兹亚诺（Gabriele Veneziano；巴黎法兰西学院）。除了这些人们之外，还有很多对本书谈到的宇宙学模型最初独立地作出贡献的其他科学家，我将在章末提到其参考文献（也可见弦宇宙学网站地址：http://www.ba.infn.it/～gasperin）

我也由衷感谢各个国家和国际的科学合作，友好地允许采用关于引力波和宇宙微波实验的图片和照片。我特别感激如下科学家（按字母顺序）：皮特尔*本德尔（Peter Bender；美国科罗拉多大学，代表LISA合作），马斯摩*斯尔多尼诺（Massimo Cerdonio；意大利帕多瓦大学，代表AURIGA合作），阿达尔比托*伽左托（Adalberto Giazotto；意大利比萨INFN，代表VIRGO合作），以及吉安*陶比尔（Jan Tauber；ESA天体物理部门，代表PLANCK合作）。

而感谢不尽的是我的合作者和朋友---伽布瑞里*韦里兹亚诺（Gabriele Veneziano），他是瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的前职员（以及理论部门的前主任），现为巴黎法兰西学院的教授。伽布瑞里与我开始了本书的最初项目，但遗憾地因后来承诺不能继续。尽管如此，他已慷慨地帮我写下了与弦有关的专门章节---实际上，他是世界有名的弦专家，而且是弦论之父之一---他的文章在本书很多其它部分中也是非常宝贵的。公正地说，没有他的最初贡献以及对我们分享多年的研究的热情承诺，那么本书也不能像当前那样呈现。所以对本书的任何赞扬也部分归于他，而我对任何不完善之处承担全部责任。

最后，我尤其要感激安吉娜*莱希（Angela Lahee，Springer的物理编辑）她友好的鼓励、意见和很多重要建议，也感激卡尔罗*文伽瑞里（Carlo Ungarelli）他对初始意大利原稿的仔细翻译。最后，特别感谢我的妻子帕瑞兹雅（Patrizia）和我的女儿丹耶娜（Daniela）。除了她们的持续支持和鼓励外，潜在的目标读者也帮助过我，对如何提高第一个手稿提供了很多有用建议。

克塞纳（Cesena）

毛瑞兹欧*伽斯裴瑞尼，于2007年12月