有人提出一种宇宙模型——“双宇宙系”，用两个宇宙并存的假设来解决为什么反物质难以探测到和超弦理论的10维度时空不同于现实物理世界的4维时空的问题。并在解决这些问题的过程中逐步完善这个模型。

概述(引言 物理学背景)

反物质和“双宇宙系”(反物质理论的提出和被证实 理解)

狄拉克方程(反物质存在于另一个宇宙中 “双宇宙系”的形成和发展可模拟的过程：)

超弦理论和“双宇宙系”(超弦理论的建立 弦论的10维度存在于“双宇宙系”中)

结论

概述

引言

有人提出一种宇宙模型——“双宇宙系”，用两个宇宙并存的假设来解决为什么反物质难以探测到和超弦理论的10维度时空不同于现实物理世界的4维时空的问题。并在解决这些问题的过程中逐步完善这个模型。

奥妙的宇宙一直吸引着人类的目光。现代高科技的迅猛发展，使人类探索宇宙步伐产生了飞跃，但人类的视野仍未达到宇宙的边缘。难道我们的宇宙真的是无边无际和唯一的吗？难道我们对宇宙的认识已达到了极限吗？然而无论如何，具有无限求知欲的人类不会就此止步，我们的思维正在飞跃这个极限。

物理学背景

物理学于20世纪发生了质的飞跃，相对论和量子论的建立开启了物理学研究的新纪元，随之而来的重要发现也层出不穷，同时也带来新的问题：如狭义相对论与量子理论的结合识人类认识到反物质（antimatter）的存在，但反物质为什么难以探测；广义相对论与量子场论的大统一理论——超弦理论（superstring theory）存在10维时空，而为什么现实物理世界只有4维时空，等等。这些问题的解决将改变人们对宇宙的认识。

假设这样一个宇宙的模型：宇宙是有界的，人类所处的宇宙外（至少）另有一个宇宙，两个宇宙以不同的时空维度存在即运动着，并以一种奇特的方式相互作用着。类似于双星系（binary system），将之命名为“双宇宙系”(binary-cosmic system)。以此来解决上述问题。

反物质和“双宇宙系”

反物质理论的提出和被证实

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）创立了狭义相对论，其中包含一个重要结论：以速度v运动的粒子，它的总能量E可以表示为 ：

（1 式中c是光速，p是粒子的动量m0 v，m0是粒子的静止质量。总能量E是指动能和内能之和。将式（2）两边开方，得总能量的解。

（2）表示两个解：正的和负的。能量的正解是容易理解的。

理解

但怎么理解能量的负解呢？粒子具有负能量，和它具有负质量是等同的〔即式（2）中m0取负值时，E也取负值〕。那么负质量有意味着什么呢？质量是惯性的量度，负质量是不是意味着加速度和作用力方向相反呢？如果是这样，那么我们用力向前拉一辆负质量物质做成的小车，这小车就会向后退；而用力向后推，这小车就会向前进。这是不是太荒唐了？因此，当时的绝大多数物理学家都认为这个负能量解是荒谬的，只是数学形式的产物，不必予以考虑。

狄拉克方程

1928年，英国物理学家狄拉克（Paul A. M. Dirac）建立了相对论波动方程，即著名的狄拉克方程 ;

这个方程的能态解正是式（2）表示的结果。狄拉克坚信理性思维的成果，根据自然界的对称性，简单地摒弃负能态解是不完整的。他挣脱惯性思维的禁锢，提出一种新理论，认为负能态是存在的，但已充满了电子。由于泡利不相容原理，正能态的电子不会落到负能态去；而负能态的电子海是不能被观察到的。相反如果在负能态的电子海中出现一个能量为-E，动量为+p，螺旋度为+态的空缺，则能观察到一个能量为+E，动量为-p，而螺旋度仍为+的带正电荷的电子。这一理论称为空穴理论[4] 。这从理论上预言了电子的反粒子——正电子( )的存在，从而开启了人类探索反物质的步伐。

1932年，美国物理学家安德森（Carl D. Anderson）在宇宙射线里发现了正电子。正电子是反物质存在的第一个证据；1954年，美国物理学家张伯伦（Owen Chamberlain）和塞格雷（Emilio G. Segre）用加速器产生了反质子；1956年反中子被发现；1998年，欧洲核子研究中心（CERN）成功合成反氢原子。反物质的存在已成为一个不争的事实。为了探测宇宙中可能存在的反物质，由丁肇中领导的国际科研小组于1998年将“阿尔法磁谱仪”送入太空。

反物质存在于另一个宇宙中

理论上讲，世界上的一切都是相对称的。皮埃尔·居里于1894年提出对称性原理：对称的原因必导致对称的结果[5] 。据对称性原理，有组成世界的物质，就应有与之相对的反物质存在，物质和反物质应是等量的。但今天反物质只能在宇宙射线和高能加速器中找到了。为什么反物质这么少？科学家们试图给予解释，例如：宇宙开始之初，物质和反物质是成对产生的，但反物质比物质衰减更快。在宇宙大爆炸中，反物质急剧减少，最终形成了今天的状况。但反物质如何凭空消失？研究已经得出，反物质和物质发生碰撞而彼此“湮灭”（并以光子的形式放出能量），这样物质和反物质会同时减少，这种解释极不严密。而当代最著名的理论物理学家霍金（Stephen Hawking）给予的解释是：早期宇宙不服从T（时间）对称。由于存在不服从T对称的力，当宇宙膨胀时，相对于把电子变成反夸克，这种力更容易把反电子变成夸克。当宇宙冷却下来，反夸克和夸克彼此湮灭，而少量过剩的夸克就留得下来，构成了我们的物质世界（反夸克和夸克是相对而言的，如果反夸克剩余构成我们的世界，则我们会称反夸克为夸克，而将现在意义上的夸克称为反夸克）。但霍金也承认“此预言的不确定性”。

我们把大于宏观的、超出一个宇宙范围的世界称为“宇观世界”。我认为反物质和物质的量保持“宇观”的对称，即反物质大量存在于“双宇宙系”中于我们的宇宙相对的“宇宙”里。把这个反物质组成的宇宙命名为“反宇宙”。

“双宇宙系”的形成和发展可模拟的过程：

“双宇宙系”形成和发展过程模拟

根据广义相对论的预言，时空在大爆炸奇点处开始。宇宙生成之初，是一个真空的宇宙元（奇点）（图1.a）。在最初的大爆炸中，巨大的能量使物质和反物质从 “真空”中同时诞生，宇宙也分裂成两个宇宙元，一个包含着高密度的物质，另一个包含着等量的高密度的反物质，“双宇宙系”初步形成（表示物质，—表示反物质）。

物质与反物质之间存在的“引力”，使两个宇宙靠近并发生碰撞，在两个宇宙的近距离运动中，反物质会“渗透”到宇宙中来，同样物质也会“渗透”到反宇宙中去。但物质和反物质相遇又会发生“湮灭”，能量剧烈释放，两个宇宙再次发生大爆炸，并再次分离，宇宙处于一种循环爆炸的过程中，现在的大爆炸理论描述的只是其中的一个过程而已。在二者的相互作用中，我们就只能在宇宙射线中艰难地捕捉到少量“幸存”的反粒子。

超弦理论和“双宇宙系”

超弦理论的建立

20世纪物理学的两个最伟大成就是量子论和相对论。量子场论描述微观世界的基本粒子及其相互作用；广义相对论作为引力理论描述像星体、星系、黑洞及宇宙一类大尺度、巨质量的体系。理解一般物理系统要么利用量子场论，要么求助于广义相对论，不会交叉的动用这两个理论体系。但是的确存在一些极端的物理情景既涉及巨质量有牵连极小距离尺度，这类体系的正确理解必须建立在一个广义相对论和量子场论相互协调的框架内，换句话说就是需要量子引力理论。典型的例子就是所谓的时空奇异问题（singularities），包括黑洞的中心点、大爆炸前的宇宙状态等。不幸的是量子论与广义相对论并不相互包容：广义相对论的任何量子修正计算都无法得到有意义的物理结果，或者说广义相对论是一个不能重整化的理论。问题的本质可以追溯为在普朗克尺度量子场论已经难以很好的描述粒子之间的相互作用。进而人类试图找出一种能够描述和解释从微观世界到宏观世界各种现象的“万物之理”，即所谓的“大统一理论（GUT）”。

最初为了解决量子论与广义相对论两大基本理论体系的不相容的问题，意大利科学家加布里埃莱·韦内齐亚诺于1968年提出一种崭新的理论——弦理论(string theory)。弦论试图用在普朗克尺度修改广义相对论的办法解决不相容问题。弦论的基本出发点是自然界的基本构成不是点粒子，而是尺度为普朗克长度大小的一维弦，弦的不同振动模式构成我们观测到的粒子谱。这种物理图像的基本变更使得引力和量子场论可以自然的融合在一起。

1980年代，曾一度受到冷落的弦理论作为大统一理论至今唯一的候选者终于赢得科学界的重视，并得以发展为“超弦理论”——兼顾超引力概念和超对称性观点的弦理论。超弦的量子理论没有紫外发散，弦振动谱包含引力子（无质量，自旋为2的基本粒子）。因此可以说弦理论提供了一个包含引力与其他相互作用的有限量子理论。

但是超弦理论还存在不少亟待解决的问题。一个最基本的是，超弦理论是一个10维度时空而不是4维度物理时空的自恰理论。

弦论的10维度存在于“双宇宙系”中

解决这个维度的差异问题，物理学家普遍采用的是时空紧致化方法：取9个空间自由度中的6个为紧致化小尺度空间，当紧致化空间比今天高能加速器达到的尺度还小时，我们的世界就表现为3个空间自由度。形象的说，一根头发丝用肉眼看来，只有1维的长度，而经过高倍放大后就表现为具有长度和横截面的3个维度。反之，把一个柱体充分缩小至肉眼看来只有一条线，它的横截面的2个维度就消失了，这就是紧致化过程。但这种解决方法受高能加速器条件的限制在目前尚未得以验证。

而采用“双宇宙系”模型，这个问题就可以迎刃而解。“双宇宙系”能够巧妙的占用弦论的9+1维时空，并达到“宇观” 的对称。首先，“双宇宙系”中只有一个时间维度，两个宇宙在同一时间维度上发展运动。其次，反宇宙与宇宙对应的各有3个空间维度，反宇宙中的空间尺度与宇宙中的空间尺度对称，但它的存在方式不是今天的人类可以想象的。这样两个宇宙一共占据6个空间自由度（中坐标x, y, z和u, v, w；时空是弯曲的）。最后两个宇宙之间又存在3维的空间运动，在这个“真空”的空间里应该不会有时空弯曲。这3个维度连系着两个宇宙中的6个维度，以另外一种方式存在。这样，超弦理论的9+1维时空就合理的分布在“双宇宙系”中，而两个宇宙也是因为维度的不同而区分开来。

结论

“双宇宙系”是一个由物质组成的宇宙和一个由反物质组成宇宙在相互联系的运动中构成的，达到“宇观”对称的系统，在这个系统中存在10个时空维度，并由维度的不同使两个宇宙得以区分。而黑洞（black hole ），白洞（white hole）可能是两个宇宙联系的窗口，虫洞（worm hole）则是它们联系的通道。

进一步设想，“双宇宙系”在宇宙外空间也不只唯一的。可以想象一个完全“真空”的空间里存在着许多“成双成对”的宇宙。这样许多“双宇宙系”又构成一个大大世界，空间和时间的概念又是无穷无尽、无始无终的了。宇宙将永远吸引着人类的目光。