宇宙和生命-第2章

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很多个不同的世界中。在我们这个物质空间中相距遥远的粒子，在另外的空间中可能近在咫尺，所以对一个粒子的扰动，另外粒子可能会即时受到影响。无论这种量子缠绕的本质是什么，有一点是肯定的，这就是现代科学对物质之间联系的认识还很不全面。这种联系可能不仅存在于微观世界，也存在于宏观世界。中国古人可以利用天象的变化预测人事的变迁，而这种天象发生的地点离我们地球可以非常遥远，可能就是对这种联系的认识和运用。这些联系对现代科学来说现在仍然是个迷。　

　　美国国家航空航天局（NASA）喷气动力实验室的科学家发现神秘的量子缠绕态与观察者相对于微观粒子的运动有关，这种量子缠绕可以由观察者的相对运动来产生或者破坏掉。这一发现已经发表在2002年12月号的《物理评论快报》上。　“量子缠绕”是科学家们在微观粒子世界中发现的一种神秘的现象。处于量子缠绕态的粒子，相互之间似乎“心有灵犀”，无论相距多远，对其中一个粒子的干扰会瞬时地影响到量子缠绕态中的其它粒子，也就是说这种关联的传播好像不需要时间。这显然违反了爱因斯坦的狭义相对论“光速不可逾越”的结论，因此当初他从量子力学理论中推导出这一结论时，他并不相信这种现象真的存在，而是试图利用这一结论来证明量子力学的不合理，并称之为“幽灵式”的联系。但是后来的实验证明这种量子缠绕现象的确是存在的，它是目前热门的量子超光速传输研究的基础。　

　　NASA的克利斯托弗。阿达米博士（Christoph　Adami）和罗伯特。金里切（Robert　Gingrich）博士是最先用爱因斯坦的相对论来研究粒子之间的量子缠绕。他们比较了粒子在静止时和被加速时的缠绕程度，发现当通常缠绕的粒子在被加速会失去这种缠绕联系，一些特殊制备的粒子对在被加速时则增加这种缠绕联系程度。　

　　了解一些静止时不缠绕的粒子之间如何仅仅通过运动就可以获得量子缠绕，可能有许多潜在的重要应用。比如，处于缠绕的粒子可以用来校对原子钟，这对于太空飞船的在太空深处的旅行至关重要。另外，量子缠绕在对量子通讯和量子计算都扮演着重要的角色，这一发现对这些领域也会产生重要的影响。　

　　量子缠绕态是迄今科学家们仍然无法圆满解释的一种现象，它暗示事物之间的联系能力也许远远超出现代科学的认识。对其本质的认识可能会使现代科学在一些关键问题上取得重大的突破。　

　　粒子物理始终是理论物理的一个非常活跃的前沿。从夸壳理论的提出到粒子物理发展到今天，人们似乎难以知道夸壳以下究竟是什么。实际上，粒子物理的发展除了受现有观测技术，实验技术的制约外，更主要的是同样受到人们认识观念的制约。打个比方说“如果把一个氢原子放大到地球这么大，那么此时在观测围绕着氢原子运动的电子时会出现什么情况和结果呢？那么此时又用那些物理量来描述电子的运动的特征呢？那么此时　

　　在来研究质子和电子的结构结论又会如何呢？”反之，如果把地球缩小到只有一个乒乓球那么大拿在手中，你可曾想到手掌大的一个小球里面竟生活了几十亿人呢！事实上，是认识的方法和观念上的障碍导致现有粒子物理面临难以回避的挑战和缺陷。其实，岂止是粒子物理，这个现代科学都面临着同样的问题。　

　　在一个中子星　（Neutron　Star）　表面发生28次系列热核爆发（thermonuclear　blast）期间，科学家利用欧洲太空总署（ESA）的XMM牛顿X…线探测卫星对这种神秘的物体进行了许多关键的测量。中子星是由中子直接组成的致密星体。我们眼睛所见的地球上的物质通常是由分子组成，分子由原子组成。和中子相比，分子之间，原子之间以及原子和分子内部都有巨大的空隙，因此和我们日常接触的物体相比，中子星的密度大得惊人。一个典型的中子星的密度约是地球密度的100万亿倍左右，一个火柴盒大小的中子星物质质量高达几十亿吨。　

　　一中子星表面发生系列热核爆发　

　　这次测量到的这个中子星是双星系统EXO　0748…676的一部分，位于飞鱼星座。科学家估计这个中子星质量约为太阳的1。4倍，直径为16公里左右。基恩·；科塔母（Jean　

　　Cottam）博士和他的研究组首次利用光在中子星的极端引力场中穿过其大气层时发生的频率偏移现象（即引力红移）研究了中子的内部结构，首此获得到了这个中子星质量和半径的比率，这一结果发表在《自然》杂志11月7日号期刊上。　

　　科塔母博士说：“只有在中子星发生热核爆发引起其临近区域大放光彩时我们才能测到射出的光与中子星极端引力场相互作用而留下的特征。”　

　　因为光线的引力红移直接决定于中子星的质量和半径，其质量和半径比又决定了其内部物质所遵从的状态方程，所以这类测量对于了解中子星的性质有着非常重要的意义。如果能够得到中子星精确的质量半径比，科学家可以确定中子星内超流体（superfluid）的特性及其相互作用类似于粒子物理学家在粒子加速器中寻找的现象。这次测量得到的结果还首次证明了中子星在自然界中是的确存在的。　

　　中子星位于双星系统EXO　0748…676，属于飞鱼座　

　　“不象太阳的内部结构已经被我们清楚地了解，中子星对人类来说象是一个黑盒子，”论文的合作者，哥伦比亚大学的弗里兹·；培雷尔斯（Frits　Paerels）博士说，“我们在中子星这个黑盒子上开了第一个小孔。现在理论工作者们可以凭着我们提供的数据继续探索。”　

　　更重要的是，论文的另一合作者，荷兰空间研究所的马里亚诺·；门德兹博士（Mariano　Mendez）指出，这一工作开创了利用引力红移研究致密星体的新方法。也许可以利用它来寻找新一类的致密天体，如夸克星等。　

　　现代科学的新发现特别是天体物理学所观测到的现象极大地开拓了我们人类的视野。一些物质如中子星，黑洞等，因为它们都远远超出了人们在日常生活中的经验，在几十年前甚至更近的时间内，人们都曾经怀疑它们的存在，而今天都已经相继被实验观测所证实。人们在日常生活中所固守的一些观念，如看不见，或者现代科学还没认识到就一概加以否认甚至反对，已经一再被证明是不“科学”的。现在科学不能解释，不能观察的一些现象，将来可能是人们的常识。　

　　时空概念的新革命

　　1。3。1　科学家发现隐藏空间维度存在的证据

　　万有引力常数是物理学中除光速外研究得最早的物理常数。然而长期以来，万有引力常数Ｇ却是测量精度最差的一个物理常数。目前两组精确度最高的测量值精度虽达万分之一，但是奇怪的是，这两个数值彼此相差超过实验精度的10倍以上。所以现在人们仍然不知到它到底应该是多少。　

　　据新科学家网站9月22日消息，法国科学家声称在不同地点测量到的万有引力常数Ｇ各不相同，是因为隐藏著的另外空间维度导致万有引力常数受到地球磁场的影响。如果这一结论被证实，将成为证实另外空间维度存在的第一个科学证据。　

　　地磁场与隐藏的维度相互作用示意图　

　　测量万有引力常数的最常用的方法是基于早在300年前英国科学家卡文迪许发明的扭摆法。1982年，一个研究组得到的万有引力常数精度为0。0128％。这一数值看起来很精确，但与其它的物理常数的精度相比却差了足有一千倍。更为奇怪的是，这与最近来自德国、新西兰、俄罗斯的一些很有名的研究组的新测量值存在著显著的差异。例如，德国标准研究所得到的数值比公认值大了0。6％，德国乌培尔达尔大学　（University　of　Wuppertal）　得到的数值却低了0。06％，新西兰计量标准实验室得到的结果低0。1％。俄罗斯一个研究组更发现了万有引力常数值随测量时间地点的变动范围高达0。7％。　

　　位于法国巴黎附近原子能委员会的科学家基恩…泊尔□比勒克（Jean…Paul　Mbelek）　和马克□拉赤责…雷（Marc　

　　Lachieze…Ray）对此提出了他们的解释，他们指出这是因为实验是在不同的地点进行的，不同地点不同的地磁场与隐藏的维度相互作用造成了引力大小常数的不同。　

　　他们研究工作的理论基础是理论物理中的弦论。在提交给《经典和量子引力》杂志的文章和欧洲天文学会在葡萄牙波尔托市的召开的一个会议报告中，他们给出了不同纬度万有引力常数的计算值。计算结果表明，磁场越强，引力常数越大，地球上万有引力常数在南北两磁极达到最大。现有的万有引力常数在不同地点的测量值与他们的结论吻合，对太阳的观测结果也与他们的理论相符。科学家们早就发现要使太阳内部的数学模型符合实验观测，他们不得不采用比公认数值更低的引力常数值。　

　　引力虽然是科学家们研究的最早的相互作用，但它同时也是科学家们了解得最少，长期以来使科学家们最头疼的一种相互作用，它的很多性质与其它相互作用力格格不入，与一些重要的物理理论如量子场论也不相容。最近对宇宙和星系的很多观测表明，引力并不能很好地解释星系和宇宙在大尺度范围的运动。在修炼界，人体起空的现象并不少见，这更是引力理论难以解释的。一些研究膜（Brane）理论的科学家认为引力也许并不是基本的相互作用。也就是说，引力只是一种外在表现，它的实质我们还没找到。　

　　经典物理学认为，宇宙空间是三维的，可以用长、宽、高来描述宇宙中任何一个物体的位置，就像在直角坐标系中可以用（x，y，z）来描述任何一个点的位置一样。在宇宙中有无数的象银河系一样的星系，里面有无数的星体，包括无数的恒星、行星。由于恒星的质量远远大于行星，所以宇宙的质量主要由恒星决定。　

　　然而现代科学发现，宇宙的结构还不是这样简单。在基本粒子、基本相互作用力等领域研究中，科学家们发现，我们的宇宙可能不是简简单单的一个三维空间。“超弦理论”预言宇宙还有其它7个维度的时空存在，而“膜世界”理论则表明我们人类所生存的空间只是多维宇宙的一个层面（膜）。下面介绍的是科学家对宇宙暗能量（Dark　Energy）的研究成果，从另一个角度对多维空间进行了探索。　

　　宇宙“大爆炸”理论描述了大约150多亿年前宇宙诞生的初期，巨大的能量使宇宙急剧地膨胀。后来随着宇宙的慢慢冷却，在引力的作用下宇宙的膨胀速度渐渐减小。然而令人吃惊的是，英国和澳大利亚的天文学家们独立地发现了宇宙膨胀加速的新证据。他们的研究结果刚刚刊登在英国皇家天文学会最新的月度期刊上＇1＇。　

　　这两个天文学家小组的发现震动了科学界，因为人们一直认为宇宙中的物质所产生的引力会使宇宙的膨胀减速，而不应该是加速。这两个小组根据观测到的遥远星系中的超新星（巨型的爆炸的星体）　的亮度推断，宇宙里面充满了一种神秘的暗能量，正是这种暗能量的存在使得宇宙不断地加速膨胀。　

　　“暗能量”的概念最早是由爱因斯坦（Einstein）提出来的，但是后来爱因斯坦把提出这个概念说成是他科学生涯里的大错误，因为它破坏了他的广义相对论的简单和优美。从那以后，“暗能量”成为科学家们争议的话题。著名的英国剑桥大学天文学家亚瑟·；斯特雷·；艾丁顿（Arthur　Stanley　Eddington）相信暗能量的存在，他认为暗能量把可观测宇宙的巨大与次原子粒子的微小区分开。但是大多数理论物理学家认为，暗能量看起来实在太神秘，没有必要，所以他们不愿接受超新星小组的结果。　

　　英国剑桥大学天文学教授乔治·；艾夫斯塔休（George　Efstathiou）领导的由27位天文学家组成的研究小组公布了他们发现的关于暗能量存在的强有力的证据＇2＇。他们对由位于澳大利亚新南威尔斯州赛丁市的名叫“英澳”的天文望远镜拍摄的巨大宇宙空间的25个星系的照片图案进行分析。通过比较大爆炸后150亿年后的现在宇宙的结构，和从微波背景辐射中观测到的大爆炸后30万年时宇宙的结构，“英澳”小组就能用简单的几何学原理来弄清宇宙的组成。　

　　他们的结果表明，宇宙充满了暗能量，与以前超新星小组的结果完全一致。艾夫斯塔休教授说：“看来爱因斯坦一点也没有犯错　…　暗能量看来是存在的，而且它们的作用超过了常规物质。对暗能量的解释可能涉及到超弦理论、多维空间，甚至涉及到‘大爆炸’之前的事情。现在还没有人清楚，但理论物理学家正在研究之中。”　

　　多维空间研究新进展：膜理论

　　在现代物理学研究中，为了能够把万有引力和其它基本作用力统一起来，一些理论物理学家提出，我们这个宇宙可能只是多维空间的一个层面（膜）。基于这个“膜世界”的概念，科学家们试图把万有引力和其它基本作用力统一起来。权威科学杂志《自然》2001年6月28日（第411卷）报导了膜世界理论的研究。以下为原文的部份翻译。　

　　请设想一下，我们熟悉的这个三维空间和一维时间的宇宙被一个多重宇宙所代替，当然这超出了我们的经验。现在设想这个多重宇宙是以多层膜的形式存在于一个多维超空间。这些另外的时空可能只有原子大小，也可能无限的大。我们也许永远也不能进入这些时空，但是它们却对我们这个宇宙的物理现象产生深刻的影响。　

　　“膜世界”迄今只是在理论物理学家脑海里被证明存在的奇异世界。虽然听起来有点异想天开，实际上“膜世界理论”是非常严肃认真的一个尝试，去解决最令现代物理学家们苦恼的问题：怎样把引力和其它三个基本作用力统一起来。　

　　对基本粒子和基本作用力特性的最流行的解释是“标准模型”。其主要的缺点是不能把引力和其它作用力平等对待。多膜世界物理学创始人之一，哈佛大学教授尼玛阿肯尼…哈米德说：“这是非同寻常的，虽然引力是最早发现的，却是迄今了解最少的力。”与其它的夥伴相比，引力很弱。比较两个电子之间的引力与电磁斥力，引力要弱10^43倍。阿肯尼…哈米德用了一个大家熟悉的例子进一步说明：“一个普通的磁铁能够吸起桌子上的一根别针，尽管整个地球的质量都在向下拉这根针，试图阻止它被磁铁吸上去。”　

　　然而现在的宇宙理论要求，在宇宙“大爆炸”后的一个很短时间内，所有的四种基本作用力是合一的。在这样的高能状态下，这些作用力随着宇宙的冷却，在互相分离之前，引力一定与其夥伴有相同的强度。　

　　目前试图解决这个矛盾的主要理论是“超弦理论”，它把所有的基本粒子都用振动的一维“弦”来表示。根据超弦理论，在极小的距离（10^（…35）米）之内，引力的强度可以赶上其它夥伴。如果能探测这样小的范围，就可能发现另外7个卷曲的维度。　

　　科学家们让两个能量极高的较大粒子互相碰撞，在碰撞产生的碎片中寻找（新的）基本粒子。如果“超弦理论”是对的，那么要想探测引力的性�