[讀書筆記] 時間簡史：M理論

初稿日期：2016.06.26

我們的世界存在著四種力，這四種力與基本粒子構成了我們所觀察到的宇宙形體。而過去的歲月裡，以愛因斯坦為首的統一場論學者們不斷尋找可以統一宇宙一切法則的理論，卻ㄧㄧ失敗。

隨著強力與弱力的區分，與原子對撞的殘骸中發現w/z玻色子，膠子，宇宙學者終於建立起將強弱力與電磁力統合的模型，稱為標準模型。

標準模型的缺陷很明顯，就是無法將重力容納其中，儘管已經能夠解釋諸多自然現象，不能統一宇宙的理論，很難稱得上完美的理論。而當弦論冒出頭之後，宇宙四力就這樣被串起，同時逐一解釋了宇宙的現象，消除了標準模型裡面的發散性。但不完美的10維弦論，最終由一個終極理論統一成為一個：也就是11維度的M理論。

標準模型統一宇宙三力

思考這段物理其實有點讓人走火入魔，因為所有的宇宙不再是物質的宇宙，而是一種虛空的，透過空洞相互串流的膜，一維膜，二維膜，三維膜，五維空間。

所謂的宇宙四力，是重力，弱力，強力與電磁力，其中重力最弱，被愛因斯坦的廣義相對論稱為時空的扭曲。過去的基本粒子，由量子力學主導，而重力則由相對論所描述，這兩個20世紀最偉大的理論最終無法統合在一起，也迫使二戰之後，物理學者們進入了更新一波的研究領域，將一切的物理法則串連。

而這兩個法則必須串連的原因是，當我們探討宇宙的樣貌，就必須觀察它的光分布，了解宇宙輻射所構建的全像圖，然而要知道為何宇宙會呈現這樣的分佈，就必須回到最初的宇宙，一個大霹靂之後數秒的時刻，原本的大一統場，分裂出宇宙四力向外擴張，基本粒子向四方散射，宇宙最初的對稱性遭到破壞，正粒子大量出現，最終由費米子，正粒子構成了現今的物質，太陽系，銀河系；玻色子建構了宇宙的四大力學。基本粒子就是量子力學，而量子力學就是最初的宇宙，這一切應該是相連的。

1967年，史蒂芬溫伯格提出電子與微中子透過產生w/z玻色子與光作用，將弱力和電磁力整合成一個理論。歷史上第一次出現了兩力合一的理論。隨著史丹福大學線型加速中心發現了「膠子」，將強力整合進了弱力和電磁力的理論，一個被稱作標準模型的萬有法則儼然誕生。

然而標準模型的缺陷有二：

重力無法被引入模型當中，它仍不算是大一統的理論。
所有的粒子都以點存在，因此有數學上無窮大的問題。（儘管費曼提出了「重整化」來消除無窮大的數學麻煩，但明眼人都知道這只是一種技巧，不是真的建立了萬有理論）

所以20世紀後半，宇宙物理的中心轉向了另一個主題：弦論，而弦論解決了上面的兩個問題，重力被納入弦論，且弦可消除無窮大的問題。

弦論

弦論的概念是，所有的粒子都不是粒子，而是一個弦，而他們因為震動的模式不同，遂產生了不同的粒子特性，如電子，質子，夸克，微中子，膠子，w/z玻色子。

弦論的啟始是來自歐洲高速原子對撞中心CERN的研究員維諾齊亞，偶然發現了尤拉函數裡頭具有某種可解釋粒子對撞行為的矩陣，於是提出了「維諾齊亞模型」，而符合這個模型的粒子必然呈現弦的特性，支配後面五十個年頭的弦理論開始踏上了物理學的顯學。

弦論完美的把重力，以重力子的形式引入了弦論裡頭兩顆自旋為0的粒子，成功解釋了過去廣為接受的宇宙暴漲理論，貫通了標準模型的三個夸克代，並且推導出，宇宙四力在大霹靂之前，完全收斂成完美的一力，這是人們認為造物者創造天地該有的模樣，粒子間呈現「超對稱」。

弦論表現建立在10維的空間，除了我們所熟知的xyz三維，t 第四維（時間），還有六個捲曲在我們所看不到的區域的，被稱作卡拉比-丘流型的維度。

這個概念很容易理解，如果有一個2D世界的人，他所看的的世界是2D的，他或許無法解釋很多他的世界裡頭的現象。但如果有一個人他從3D視野來觀看2D世界，他便能很容易解釋某些2D世界所無法理解的現象。而我們所處在的3D世界，或許無法把理論全部集合在一起，但10D世界的人則可以，因為他看到的比我們還要清楚的多。

然而，弦論有個重大的敗筆，那就是，符合宇宙模型的弦論共有五種，這表示弦論不是表現萬有物理理論的唯一解，這就表示，還有更高的手段，才能把所有理論貫通在一起。

M理論

而這個理論就是M理論，當我們把10維弦論擴張到11維，這五個弦論突然匯聚成同一個理論，這個理論由普林斯頓的愛德華維騰和劍橋大學的保羅湯森德於1994年所提出，就是萬有理論的最佳候選：M理論。當弦增加一個維度，弦變成了膜，所以M理論就是膜理論（membrane)，或是神秘理論（mysterious)。

五個弦論有點像是從M理論的五種觀點觀察宇宙，因此存在著五個模型，但出發點都是同一個：宇宙的本質是光滑的膜，只是在10維的觀點我們感受到的基本粒子是弦，而在三維的世界我們感受到的粒子是點。

膜理論一樣解決了大致上的宇宙問題，同時創造了新的觀點，大霹靂來自膜與膜的碰撞。所以膜理論裡頭擁有多個膜，每個膜相互碰撞就形成一個宇宙，而這個世界或許存在多個因為膜碰撞而產生的宇宙，而且不斷的進行著。

這是M理論的奧妙之處，但同時也是罩門。這表示M理論可以容許有幾兆組宇宙存在，而我們的宇宙只是其中之一。這樣的觀點或許不為部分人所接受，我們會認為自己出現在宇宙中是命定論的，而不該是幾兆個宇宙中的一個。

但M理論有個很令我感到興奮的優勢，它解釋了為什麼重力遠小於其他三力，因為電磁力，弱力，強力附著在我們眼睛所能看到的世界，一個三維的膜，而重力不屬於三維世界，它屬於11維世界，所以有部份重力子從我們所在的三維膜中散開到我們所未知的五維空間中，導致重力子數量遠少過其他三力的粒子。這是哈佛大學的女科學家，麗莎藍道，於2004年提出來的觀點。

宇宙探索的未來

關於M理論，因為它的無法觀察性，導致這樣的物理最終只是一種數學上的想像。不過隨著瑞士的日內瓦強子對撞機LHC完工，或許能夠進行更強烈的原子對撞，將所謂的「電子：微型黑洞」給創造出來，或許能夠印證關於M理論所推測的，次原子或許是一個非常狹小的扭曲，它其實是一個極小型的黑洞。也或者，LHC可以找到超對稱性的證據，間接證明弦理論的音階存在，推動M理論向前的動力。

由於M理論的概念轉趨空泛，研究這種理論的學者也漸漸減少，但無論如何，或許隨著科技的進步，這個理論所提出的觀點會ㄧ一被證明，而這個理論到目前為止，似乎也是描述萬有理論的唯一解。

當我們解開萬有理論之後，人類或許還有更重要的問題，如何用萬有理論來預測未來…。