如何用弦理论构建一个宇宙

为什么要研究宇宙？

“研究宇宙有什么用，无非是满足人类自己的好奇心罢了”。其实话要这么说也没错，毕竟科学的源头本就是人类对好奇心的满足。那今天我们就单纯从好奇心的角度来开个脑洞：假如以现有的科学理论（不考虑技术可行性），如何构建一个宇宙出来。

当今描述宇宙主要基于的是广义相对论，那通过广义相对论能否构建一个宇宙出来呢？

我们知道，广义相对论讲的是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”，说到底它只是用来描述引力的一套理论。而构成宇宙的，除了宏观的大尺度结构，更少不了构成宇宙万物的微观粒子。

构建万物要先构建粒子，构建粒子自然少不了量子力学。如今在基于量子力学的粒子物理中，标准模型是目前公认的最靠谱的一套理论。它不仅描述了构成物质所需的各种费米子，同时还囊括了承载它们之间相互作用的各种玻色子。

那是否可以通过粒子物理的标准模型来构建所有基本粒子，从而构建出整个宇宙呢？

很可惜，也不行。

首先，标准模型它并不完美，目前仍然存在诸多待解决的问题：比如为什么中微子会有质量？为什么没有右旋中微子？希格斯粒子的质量到底怎么回事？等等等等……

除此之外，标准模型中还缺少一些粒子，比如引力子和未知的暗物质粒子，这些都是目前标准模型无法解决的问题。所有这些都预示着标准模型并不是所谓的“终极理论”。

要想构建宇宙万物，自然需要一个能够解释一切的理论，也就是“万物理论”。作为万物理论的候选者之一，弦理论或许值得尝试一下。

作为被人类“提前发现”的一套理论，弦理论不仅包含了标准模型中的所有基本粒子，还包含了描述引力的引力子。此外由于引入了一维的弦，这就避免了标准模型中无体积的点粒子计算发散的问题。

好了，选定了理论基础，下面就可以开始实操了。

由于我们是“构建”一个宇宙，而非“创造”一个宇宙，所以我们不需要“大爆炸”，只需要一份“原始能量”。注意：这个能量并非通常意义上的能量，而是类似初始条件的一种东西，类似宇宙的“第一推动力”。

在“第一推动力”的推动下，我们用“弦”的形式，通过不同振动方式，从原始能量中构建出各种基本粒子，包括标准模型中的粒子和不在标准模型中的粒子。此时粒子的质量来源已不再靠希格斯机制，而是统一通过弦的振动来实现。

这个过程有点类似小提琴奏乐：一个“A 大调”会激发出一个“上夸克”，一个“C 小调”会激发出一个“电子”等等。

不过根据弦理论，弦可以分为开弦和闭弦两种。开弦就像一段绳子，而闭弦就像一根绑头发用的皮筋，只不过它们都是没有粗细的一维结构。刚才激发出的基本粒子，其实都属于开弦，而要构建出引力，则要激发出闭弦才行。

既然能够通过弦构建基本粒子，那么用基本粒子构建宇宙万物自然不在话下。现在的问题是：这条弦该如何构建呢？

在“弦理论之王”的 M 理论中，超引力方程的解并不是一维的弦，而是二维的膜。也就是说，一种二维膜在卷曲了一个空间维度后，它便成了先前认为的一维的弦。

一维的弦延伸在两张高维的膜之间，由它激发出的粒子的质量和这两张膜之间的距离成正比。也就是说，我们可以通过控制不同膜之间的距离，来产生不同的基本粒子。当需要光子、胶子这样的无质量粒子时，只需要把两张膜贴在一起就好了。

不管是有质量粒子还是无质量粒子，费米子也好玻色子也罢，现在它们都能通过控制“膜间距”的方法用弦来构建了。如此构建物质和能量都没问题了。

但是此时有个 bug：我们发现构建出的光子质量不为零！若要修复此 bug，则需引入额外的空间维度。

在 M 理论中，我们的空间需要是 10 维的，在能够感知的三个可以无限延伸的维度之外，还存在六个有限大小的维度。由这六个有限维度构成出来的空间就是卡拉比-丘空间。

卡拉比-丘空间也叫卡拉比-丘流形，它是一种紧致且不含物质的超对称空间，说人话就是：这是一种有限的空间，它里面即使不存在物质也有引力场。

按广义相对论的观点，存在引力场说明应该有物质存在（“物质告诉时空如何弯曲”嘛），严格一点至少也得有能动张量。但在卡拉比-丘空间中，这里的空间本身就是弯曲的，不需要有质量的物质存在，可以说天生自带引力场。

看来弦理论只有在“高维宇宙”中才能自洽，所以我们需要构建一种卡拉比-丘这样的高维空间，只有通过这种高维空间构建出的粒子，才符合我们熟悉的粒子的性质。

但是我们所能感知的空间维度只有三维，高维空间具体是个什么样呢？

注意：这里的高维空间可不是像《三体》里那种“隔空取物”，更不是时空穿越（因为这里一直在说空间维度，而非时间维度）。卡拉比-丘这种高维空间你可以认为是一种独立的小空间，小到普朗克尺度，和我们宏观的三维空间完全不相关。

真实的卡拉比-丘空间应该是种扭曲的形态，而且理论上存在许许多多各种各样的扭曲形态。考虑到我们只是构建一个宇宙，所以不需要构建太多形态。

于是，通过高维的卡拉比-丘流形以及二维膜，我们可以创建出各种基本粒子，然后通过这些基本粒子继续创建各种重子等复合粒子，随后原子、分子以及复杂的物质也可以陆续被创建。至此，一个和我们的宇宙十分相似的“宇宙”便被构建了出来。

哦，好像还少了一个东西…… 暗能量，不过这个问题到不大。反正我们不是从“大爆炸”开始，没那么多时间等它去慢慢演化，我们就直接构建一个不会加速膨胀、已经足够成熟的“成品”宇宙就好了。

虽然构建出的“宇宙”和我们的宇宙很相似，但是假如我们真有构建宇宙的能力，相信你更想尝试构建一个不那么一样的宇宙。毕竟“能力越大，好奇心越大”，都已经能够操控弦了，对宇宙的底层参数改一改调一调相信一定很有意思。

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本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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