□作者: 李龙臣

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　　今年1月8日是英国著名数学家、理论物理学家斯蒂芬·霍金65岁生日，他对记者说，他的下一个目标是成为一名太空游客。今年将进行模拟失重训练，可能在2009年进入太空。他的这个愿望得到冒险大亨理查德·布兰森的大力支持。他创办的维珍银河公司，正在开发搭载游客进行亚轨道飞行的太空项目。布兰森还将赞助霍金10万英镑，用于支付太空旅游的费用。
　　
　　
　　 史蒂芬·霍金（2001年）
　　
　　时至今日，对一般人来说，进行太空旅游并不是什么稀奇事。但对霍金来说，却是个惊人之举。还是在他读研究生的1962年，即21岁生日过后不久，就被诊断出患上了运动神经细胞萎缩症，从手、脚到心、肺和大脑，能够动的部位会越来越少。到1963年，医生宣判他的生命只剩下两年的时间。但他的顽强抗争，不仅延缓了死神的到来，而且成为著名的科学家。
　　不过，他的病情还是在20年前就已经很严重了，脑袋往下耷拉，手脚不能动，只能靠轮椅行动，说话很困难。1985年，在肺炎手术后，又完全不能说话了，只能靠安装在轮椅上的语言合成器与人交谈。开始，他用一只手的三根手指在计算机屏幕上选择词汇，组成句子，后来则只能通过眼皮的动作来选择词汇组成句子了。
　　
　　
　　 《果壳中的宇宙》封面
　　
　　霍金与宇宙有不解之缘。早在读研究生时，他就非常关注宇宙学问题，而现在，“即便把我关在果壳里，仍然自以为无限空间之王”。霍金使“轮椅”和“果壳”结了缘。
　　《果壳中的宇宙》正是霍金继《时间简史》之后又一科普力作。让我们来一睹芳容。
　　《果壳中的宇宙》虽然是科普书，我们还是要铺垫着来描述。
　　
　　终极理论
　　
　　所谓终极理论，是指宇宙中的一切都可以用一项单一的数学方程（定律）来描述的那种理论，又叫统一理论、万有理论、万物至理、万物终极理论等等。
　　建立终极理论，不是完全另起炉灶，而是设法把已有的成功理论统一起来。正如法国学者奥古斯特·孔特所说：“科学进步的重要是在不断扩展那些不同原理之间的联系、减少它们的数目。”
　　自现代科学诞生以来，一些科学家一直在追求宇宙的终极理论，并不断有人宣称离找到终极理论的时间不远了。
　　终极理论的源头，可以上溯到17世纪牛顿建立行星运动理论之时。那时就有拉普拉斯的决定论：只要给定宇宙在某一时刻的结构，由给定的一组定律，就能精确的决定它的演化。
　　1831年，英国物理学家迈·法拉第发现，电和磁虽然表面现象不同，但却是同一基本现象的不同方面。这暗示着以某种方式来看，宇宙具有一种基本的统一性。那时，法拉第还缺少实现这种统一的工具——数学。
　　1861年，詹·麦克斯韦成功地将法拉第的发现转换成数学语言，即麦克斯韦电磁方程组，成功地将电、光、磁统一到一个电磁理论中。但电磁理论不包含引力。
　　
　　
　　我们生活在一张膜上，或者我们只不过是张全息图？
　　
　　进入20世纪以后，原子论已牢固地建立起来。当时的大多数物理学家认为，除了某些物质吸收热量的准确方式和某些原子蒸汽辐射出的奇怪谱线等少数几个问题外，对一切事物基本上已经完全了解了，剩下的那几个问题，过不了几年也可以得到解决。如在1903年，著名实验科学家迈克尔逊就说：“所有比较重要的基本定律和物理科学的事实，都已经被发现，它们已经很稳固地成立，甚至连因为有新的发现而要对它们进行补充的这种可能性，都极其微小。”
　　但是，其言犹在耳，就有崭新的物理学——爱因斯坦狭义相对论和包含引力的广义相对论诞生。更有卢瑟福砸碎原子，掏出一个广阔的微观世界，诞生了迄今应用成果最大的量子力学。
　　在原子被砸碎，了解到原子是由电子和原子核组成的以后，著名物理学家马克斯·玻恩在1928年发表评论说，“我们所了解的物理学，将于6个月内大功告成”。
　　爱因斯坦在发表广义相对论后的40年中，都在从数学上进行把广义相对论与电磁理论统一起来的理论——“统一场理论”的研究。
　　
　　
　　每个娃娃代表对自然的小到某一尺度的理论理解。每个娃娃都包含一个更小的娃娃，后者对应于描述在更短的尺度下自然的理论。但是在物理学中存在一个最小基本长度，即普朗克长度，这是自然可以用M-理论描述的尺度
　　
　　爱因斯坦注意到，德国数学家卡卢扎1919年曾证明了有一系列方程能把广义相对论与电磁理论统一起来，但宇宙需要5维时空。宇宙这额外的一维哪里来呢？他还注意到瑞典数学家克莱因在1926年曾提出一种观点，认为宇宙的那个额外维卷曲得太小，我们无法察觉到。爱因斯坦虽然觉得卡卢扎和克莱因的发现很重要，但在用于他的统一场理论时，总有一些零星问题不能解决，或者会得到一些滑稽的结果。
　　在爱因斯坦还没有将引力和电磁力统一起来的时候，人们又发现了将原子核中质子和中子束缚在一起的强核力和弱核力。更糟的是，这两种基本力是由信使子传递的，这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。
　　1955年爱因斯坦逝世后，他的统一场理论很少有人问津。人们将注意力转向了电磁力与弱核力的统一——量子场理论。
　　20世纪60年代末，美国的温伯格和格拉肖、英国的萨拉姆找到了电磁力与弱核力统一的方程。电磁力和弱核力是统一的电弱力的不同方面。随后，他们的理论得到了证实。
　　1973年，格拉肖发现了把电磁力、弱核力与强核力统一起来的数学公式，这就是“大统一场理论”。电磁力、弱核力和强核力是统一的“超力”的不同方面。超力在宇宙大爆炸后分裂成电磁力、弱核力和强核力。但大统一场理论不包括引力。
　　
　　
　　为了统一电磁理论、狭义相对论和量子理论，狄拉克等人早在20世纪20年代就建立了量子场论。但量子场论也不包括引力。为弥补这个不足，科学家们又建立了量子引力论，就是把广义相对论与量子理论统一起来。1967年，惠勒和德威特找到一个数学公式，成功地将广义相对论与量子理论结合起来了。但是，在这些尝试中，他们像爱因斯坦一样遇到数学问题，其中包括无穷大的问题。
　　20世纪70年代初发现的“超对称理论”，又使科学家找到了把构成物质的粒子（费米子）与携带力的粒子（玻色子）统一起来的数学特性，即消除了亚原子粒子的差别，提供了把引力统一进来的线索。这就是“超引力理论”。
　　1984年，约翰·施瓦茨和迈克尔·格林提出了“超弦理论”，指出把引力与其它力统一起来的唯一条件是，把粒子看成是弦，它们必须拥有超对称（超弦），并且存在于10维时空中。不过，超弦理论仍然没有反映全部情况，而且超弦理论有5种之多。
　　在基本粒子物理学、量子力学取得了巨大成就的时候，霍金于1988年在他的畅销书《时间简史》中说，“可以谨慎乐观地说，我们对自然的终极规律的探索，现在也许接近了尾声。”
　　1996年，威滕提出M理论，认为5种超弦理论只是M理论的不同侧面。如果超弦代表膜，则5种超弦理论仅仅是11维膜的边缘。因此，霍金认为，M理论有可能成为人们追求的终极理论。
　　
　　M理论
　　
　　1985年以后，物理学家开始意识到，弦理论中的“弦”，只不过是延展成多于1维的众多物族的一员。
　　1994年以后，物理学家又知道一种描写强相互作用的闭弦理论与描写弱相互作用的开弦理论完全相同。对开弦理论的深入研究，特别集中于弦的边缘（即开弦的两个端点）可运动的空间。理论物理学家伦内特·赫伊斯佐恩在对这些边缘空间进行数学研究时，根据数学家狄利克雷的名字，将这些空间命名为“D-膜”。英国剑桥的数学和理论物理学家保罗·汤森对膜作了许多基本研究。他把由弦延展成多于1维的物体叫做“P-膜”（P表示维数）。一个P膜在P方向上有长度。这样，P=0的膜是点，P=1的膜就是弦，P=2的膜就是面，如此等等。而且，所有P-膜都是平等的。1996年，爱·威滕等人又发现，5种弦理论假设，实际上只是从不同侧面表述同一基本的11维假设。

文章作者:李龙臣
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