“膜风暴”挑战部分大爆炸论（'Brane-Storm' Challenges Part of Big Bang Theory）

作者：罗伯特*罗伊*布瑞特（Robert Roy Britt）乃资深科学作家，发表于2001年4月18日。

译者：郑  中（Geongs Zhern）

    在你还还没说“焚宇宙”（Ekpyrotic Universe）之前，就已做出一个动作---即使像指向绝对怀疑的边缘—就打碎了大爆炸的基本原则之一。

    思考平行膜和五维空间。科学绝不是听起来如此冷漠。

    新观念还未取代大爆炸论，它关于宇宙如何开始和演化的思想，已统治宇宙学家们不止五十年了。然而，不同于从一个无限小的无限致密点而猛一刹那向外弹出的宇宙，新观念认为两个平行“薄膜”在五维空间中经历极漫长的时间缓慢演化之后，当它们发生大碰撞时，便创造了我们的宇宙。

     这些理论家们所谓的薄膜或“膜”，就像纸片一样漂浮经过五维空间，甚至科学家们难以具有直观的图像。（我们关于三维物理空间的传统观念，随着时间流逝，形成四个已知的维度。）

“这几乎疯狂得够正确。”

-- 迈克尔*特纳（Michael Turner）芝加哥大学宇宙学家

    该观念根据其它理论家的多维度假说（逐渐被接受的），在本月初公布在巴尔的摩（Baltimore，美国的一个城市）太空望远镜科学研究所会议上。该思想被剑桥大学的尼尔*图若克（Neil Turok）、宾夕法尼亚州的布尔特*欧福特（Burt Ovrut）、普林斯顿大学的保罗*斯坦哈特（Paul Steinhardt）和贾斯廷*库睿（Justin Khoury）等人加以发展。

    “焚图景就是，我们当前宇宙是一个镶嵌于五维体空间（bulk space）中的四维薄膜，大致就像普通三维空间中的纸片，”图若克对太空网站（SPACE.com）说。“该思想认为，另一个薄膜与我们的薄膜相碰撞，泄放出能量和热，并导致我们宇宙的膨胀。”

疯狂，但可行

    “几乎疯狂得够正确，”迈克尔*特纳说，他是芝加哥大学的宇宙学家，熟悉该理论。他补充道“当你正试图破解一个真正的难题，你需要一种疯狂的观念。”

    特纳说，天文学家对该新理论作出了激动的反应，部分因为互生维度（alternate dimensions）的思想对于他们来说是很新鲜的。宇宙学家们倾向于将该理论作为一个具有大爆炸某些特征的有发展潜力的候选方案来欢迎，但对理论前景表示谨慎态度。

    马瑞欧*李维欧（Mario Livio）领导起太空望远镜研究所的科学部门，说预测该理论是否经受得住其它研究者的考验，这还为时尚早。但是认为该概念是很重要而激动人心的：“我们正在谈论关于我们宇宙的起源。”

    焚宇宙，顾名思义，来源于古希腊词汇ekpyrosis，意思是“大火（灾）”（灾火或冲突）。根据以该名字命名的古代宇宙模型，宇宙是在一次突然的火烧中创生的。现代理论家们说这种话古代观念并不是不像新模型中提到的碰撞。

    当新理论充满复杂的数学和费解的概念时，它对不断惊叹超越我们宇宙又怎样的任何人来说，是一种稍可慰藉的思想。进来吧—一旦你思考宇宙的边缘，就会咕哝，祈祷，梦想或者追问：“但超越它会怎样。”

    所以，超出宇宙的边缘是什么呢？

    第五个维度就是超越宇宙的边缘，该思想的发明者说。虽然他们认为事实上宇宙没有边缘。

    “只有一个宇宙，”欧夫特（Ovrut）站在望远镜前面说。“它没有边界。它就是一个展开的巨膜，已受撞击，加热，并且正在膨胀。”

    离奇古怪的概念没涉及多重或平行宇宙，已被其它研究者提出。

    反之，欧夫特解释道，第五维就隐藏在那儿，并嵌入多重膜（multiple branes）中。第五维的每个末端束缚于一个无限的膜上。我们可视的宇宙是那些膜中的一个，并且在碰撞之前，它可能或可能不包含通常物质。在第五维的另一末端是一张不像我们宇宙的物理膜。当这两类膜包含物质时，它们之间就不是宇宙，而且不类似我们栖息其中的膜。

    给定这个概念框架，没有任何原因可假设任何其它宇宙隐藏那儿，欧夫特说。

解释膨胀的候选方案

    一篇关于该概念的论文已提交给物理评论D期刊。当这篇论文仍未被出版社接受时，熟悉它的物理学家们好奇而激动，正在描绘令人兴奋、似乎为真的焚宇宙，向大爆炸膨胀令人怀疑的特征提出一种有价值的竞争者。

    膨胀试图解释宇宙看起来的均匀性。朝天空任何方向看，宇宙中都有星系和星系团的特征，很类似于其它任何方向所观测到的。因此，膨胀论将所有物质放到一个初始点来解释，然后射出。在一段膨胀期间，向外超过光速，而万物不管在何处，都遵循相似的法则演化。

    欧夫特说，在模拟膜碰撞中，他的研究组发现结果是一个极好符合大爆炸预测的宇宙。模拟产生了相似的温度，并导致所产生的宇宙膨胀，比如，并创造出与膨胀预测到的同样均匀的物质。

    “我们不是在攻击膨胀论，”欧夫特说。“我们将介绍一个候选方案。”

    特纳是芝加哥大学的宇宙学者，认为膨胀论已取得如此成功，乃至它已扼杀了所有来竞争的理论。但膨胀没有宣称可能有其它维度的思想。近几年宇宙学家对这个狂野的概念产生了兴趣。

    特纳在一个世纪以前的教材中，曾认为将有两篇报道之一：

    “一百年以前，人们是如此胆大冒险，试图理解如何将其全部整合在一起，他们发明另外的空间维度。他们在吐什么烟圈呢？”或者：“一百年以前，人们如此因循守旧，尽管许多证据表明存在额外维，但是他们拒绝接受。”

焚宇宙理论的详情

    普林斯顿大学的Justin Khoury、佩恩大学的Burt Ovru、普林斯顿大学的Paul Steinhardt、剑桥大学的Neil Turok等学者向SPACE.com提供了以下专业描述。

    我们的论文提出了一种极早期宇宙的新理论，解决了热大爆炸图景的著名问题---视界、平直性和单极子疑难，并且导致能量涨落，形成星系的种子，并产生宇宙微波背景上的温度变化。该模型根据如下思想，我们的热大爆炸宇宙是由两个三维世界沿一个隐藏的额外维运动、碰撞而产生的。

    宇宙的膨胀模型是在1980年代发展起来的，由麻省理工大学（MIT）的阿兰*古斯（Alan Guth）、斯坦福大学的安德烈*林德（Andre Linde）、美国戴维斯大学的安德里亚*布莱希特（Andreas Albrecht）和斯坦哈特（Steinhardt），打算通过指数式超扩展或膨胀方式，来解决这些很相同的问题。

    概念上讲，焚模型是很不同的，根本不发生任何膨胀或快速变化。碰撞方式经历一个极漫长的时期，极缓慢地发生。相当有魅力的是，快速变化和缓慢变化可产生几乎相同的效应。虽然膨胀宇宙学预测引力波谱可在宇宙微波背景中探测到，但是不同的结果导致一个独特的预测。而焚模型预测宇宙微波背景中观测不到任何引力波效应。

在焚模型中，当两个三维世界碰撞并“嵌入”时，碰撞中的动能被转化为夸克、电子、光子等，局限于沿着三维空间运动。所产生的温度是有限的，所以热大爆炸期间开始于一个奇点。宇宙是各向同性的，因为大爆炸期间的碰撞和创生，是几乎同时在各处发生的。

    两个世界的优选几何是平直的，所以它们的碰撞产生了一个平直的大爆炸宇宙。根据爱因斯坦方程，这就意味着宇宙的总能密度等于临界密度。质量磁单极子（magnetic monopole），它是在标准大爆炸理论中大量产生，而在焚图景中根本不产生，因为碰撞后的温度太小而不能产生任何这些质量粒子。

    量子效应导致三维世界在碰撞之前，其内部沿额外维荡起涟漪，乃至碰撞在某些位置在稍不同的时刻发生。直到碰撞完成时，涟漪导致细小的温度变化，而成为微波背景中温度涨落和星系形成的种子。我们已指出能量密度涨落谱是标度不变的（在所有尺度上具有相同幅度）。超指数膨胀产生的标度不变谱（scale-invariant spectrum）是膨胀理论的巨大胜利，而这里我们采用完全不同的物理而再现了成就。

    构建焚理论的基元起源于超弦论（Superstring theory）。超弦论为了数学自洽性，要求额外维。在大多数公式中，需要10个维度。在1990年代中期，法国热尔省的皮特尔*霍拉法（Petr Horava）和普林斯顿大学IAS的厄德*威滕（Ed Witten）认为，在某种条件下，额外维可展开在一个有限区间内；推测6个维度缠绕于一个称作卡丘流形（Calabi-Yau manifold）的微球内。

    微球太小而在日常经验中未能注意到，所以我们的宇宙看来是一个嵌入于五维时空中的四维（3维空间+1维时间）曲面。这个五维理论，即所谓的杂化M论（heterotic M-theory），是由英国苏克撒森郡的安德烈*鲁卡斯（Andre Lukas）所构想的。欧夫特和伦敦大学玛丽皇后学院的丹*瓦尔德拉穆（Dan Waldram），根据霍拉法-威滕和杂化M论，粒子局限运动于额外维区间另一侧的一个三维边界上。