物理學界的大一統?幾分鐘帶你了解前沿理論——弦理論

2021-01-05 天文在線

弦理論是一種前沿思想,它認為所有的基本粒子實際上都是弦的微小振動環。

弦理論嘗試將20世紀物理學的兩大支柱——量子力學和阿爾伯特·愛因斯坦的相對論——與一個能夠解釋所有物理現實的包羅萬象的框架結合起來。它假設粒子實際上是一維的、弦一樣的實體,它們的振動決定了粒子的性質,比如它們的質量和電荷。

根據牛津大學(University of Oxford)和英國皇家學會(British Royal Society)共同創建的一個關於弦理論的網站,這個違反直覺的想法最早出現在上世紀六七十年代,當時人們用弦來模擬歐洲亞原子對撞機的數據。弦提供了一個描述強相互作用力的優雅的數學方式,強相互作用力是宇宙中四個基本的相互作用力(即強相互作用力,弱相互作用力,電磁相互作用力,萬有引力)之一,可以將原子核聚集在一起。

多年來,這個話題一直處於邊緣地位,直到1984年「弦理論革命」,根據劍橋大學的說法,理論家麥可·格林和約翰·施瓦茲提出了一個方程式,該方程式說明了弦如何避免某些不一致的問題,這些問題困擾著將粒子描述為點狀物體的模型。

但是,第一次真正的重大成果是五個不同理論,這些理論解釋了一維弦如何在十維的現實中振蕩。第二次改革是在1995年,物理學家證明了這些不同的想法都是相關的,並且可以與另一種叫做超重力的理論相結合。這種方法產生了目前的弦理論。

解開謎題

弦理論作為一個適用於萬物的理論被提出,這是一個描述所有已知微粒和力的模型,並有可能取代物理學標準模型,標準模型可以解釋除了重力以外的一切。很多科學家相信弦理論,因為它具有一種數學上的美感。弦理論的方程可以被稱為優雅,其對物理世界的描述令人滿意。

該理論通過一根特定的振動弦來解釋引力,該弦的特性與假想的引力子(一種攜帶引力的量子力學粒子)的特性相一致。奇怪的是,這個理論需要十一個維度才能運作——而不是我們通常所熟知的三個空間和一個時間維度——這並沒有阻止支持它的物理學家。他們簡單地描述了額外的維度是如何全部蜷縮在一個極其微小的空間裡的,大約是10^-33釐米,小到我們通常無法探測到它們,NASA稱。研究人員已經運用弦理論嘗試回答了關於宇宙的基本問題,如黑洞裡發生了什麼,並模擬嘗試模擬宇宙大爆炸的過程。一些科學家甚至試圖利用弦理論來研究暗能量,即加速空間和時間膨脹的神秘力量。

永無止境的追求

但是弦理論受到了更嚴格的審視。它的大多數預測在現在技術條件下無法測試,並且很多研究人員想知道他們是否掉進了一個永無止境的兔子洞。2011年,物理學家們聚集在美國自然歷史博物館(the American Museum of Natural History )參加第11屆年度艾薩克·阿西莫夫紀念辯論(the 11th annual Isaac Asimov Memorial Debate),討論將弦理論作為對現實的可行描述是否有意義。「你是在追鬼魂,還是你這群人太蠢了搞不明白?」博物館海登天文館館長尼爾·德格拉斯·泰森(Neil Degrasse Tyson)開玩笑說,他指出,前幾年弦理論的進展並不順利。

弦理論的挑戰是它的框架本身,這個框架假設了大量獨特宇宙的存在,多達10^500(即1後面跟著500個0)。這種多元宇宙似乎提供了足夠的可能性,如果研究人員探索它們,他們會遇到一個符合我們現實的版本。但是2018年,一篇頗有影響力的論文指出,在眾多假設的宇宙中,沒有一個看起來像我們的宇宙;具體來說,它們都缺乏我們目前所理解的對暗能量的描述。

弦理論家提出了一個似乎無窮無盡的數學結構,它們與觀測沒有已知的關係,」德國法蘭克福高等研究所(Frankfurt Institute for Advanced Studies)的物理學家薩比娜·霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)在之前接受《生活科學》(Live Science)採訪時表示,她對弦理論持批評態度。

其他的研究人員堅持認為,弦理論總有一天會有結果。密西根大學(University of Michigan)的物理學家戈登·凱恩(Gordon Kane)在《今日物理》(Physics Today)雜誌上撰文指出,大型強子對撞機目前正在進行升級,可能在不久的將來為弦理論提供證據。但該理論的最終命運至今仍然未知。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.Adam Mann-·__·-livescience

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