宇宙的維度會比我們想像的更多嗎?弦理論是萬能理論嗎?

2020-12-15 遨遊世界科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

眾所周知,弦理論是物理學家們希望有朝一日能夠解釋一切的理論。科學家希望所有的力,所有的粒子,所有的常數,所有都能處在一個理論框架下,而我們看到的一切都是微小的,振動的弦的結果。事實上理論家們從20世紀60年代就開始研究這個想法,他們首先意識到的是,要讓這個理論起作用,就必須有比我們習慣的四個維度更多的維度,這想法聽起來相當瘋狂!

弦理論

在弦理論中,弦振動的小環(在理論中,它們是現實的基本對象)表現為不同的粒子(電子、夸克、中微子等)和自然的力載體(光子、膠子、引力子等)。它們在宇宙中表現的方式是通過震動,每根弦都很小,在我們看來不過是點狀的粒子,但每根弦都可以以不同的模式振動,就像你可以從吉他弦中得到不同的音符一樣。

每種振動模式都被認為與一種不同的粒子有關,所以所有的弦以一種方式振動看起來像電子,所有的弦以另一種方式振動看起來像光子,等等。我們所看到的粒子碰撞,在弦理論的觀點中,是一堆弦合併在一起然後分裂。

但要讓數學計算器作用,我們的宇宙必須有超過四個維度。這是因為我們通常的時空沒有給弦足夠的「空間」來以它們所需的所有方式振動,以充分表達它們作為世界上所有粒子的多樣性。換句話說,弦不只是擺動,它們是超維度的擺動。

當前版本的弦理論總共需要10個維度,而更假設的超弦理論m理論需要11個維度。但當我們環顧宇宙時,我們只能看到通常的三維空間加上時間維度。但是科學家已經提出,宇宙不止四維。

1919年,就在阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)發表廣義相對論後不久,數學家和物理學家西奧多·卡魯扎(Theodor Kaluza)還在擺弄這些維度理論方程,僅僅只是為了好玩。當他在方程中加入第五個維度時,他發現了一些特別有趣的事情,那就是什麼也沒發生。因為相對論方程並不關心維數,因此你必須加入一些正確的東西,使理論適用於我們的宇宙。

但後來卡魯扎給第五維度增加了一種特殊的扭曲數,使它自己纏繞在他所說的「圓柱狀態」中。結果還真的有一些新的東西跳出來:卡魯扎恢復了通常的四維廣義相對論方程,加上一個新的方程,複製了電磁學的表達式。換句話說,增加維度可能可以潛在地統一物理學。

然而,幾十年後,另一位物理學家奧斯卡·克萊因(Oskar Klein)試圖用量子力學來解釋卡魯扎的理論。他發現,如果這個第五維度存在,並且在某種程度上對電磁學起著作用,那麼這個維度必須被壓縮,繞回自身(就像卡魯扎的最初設想那樣),但要小得多,只有10^-35米。

弦理論的許多流行

但問題是,如果一個額外的維度真的那麼小,我們可能就不會注意到。因為它太小了,我們不可能指望用高能實驗直接探測它。如果這些維度都圍繞著它們自己旋轉,那麼每一次你在四維空間中移動,你都是在繞著這些額外的維度轉了幾十億次,這些是弦理論的維度。

隨著對數學的進一步深入,人們發現弦理論中需要的額外六個空間維度必須被包裹在一組特定的構型中,即以兩位著名物理學家的名字命名的Calabi-Yao流形。但是沒有一個獨特的流形是斯汀理論所允許的。而所有的獨特流形。事實證明,當你需要6個維度來解釋自己,並給他們幾乎任何可能的方式來做這件事時,它加起來大約10 ^ 200000可能。

當然,有很多不同的方法來把這些額外的維度包含在它們自己裡面。只是每一種可能的結構都會影響弦的振動方式。由於弦振動的方式決定了它們在宏觀世界中的行為,所以每一種選擇都會導致一個有著自己的物理體系的獨特的宇宙。因此,只有一種流形才能產生我們所體驗的世界。但問題是哪一個呢?

不幸的是,弦理論不能給我們答案,至少現在還不能。問題是弦理論還沒有完成——我們只有各種各樣的近似方法,我們希望能接近真實的東西,但現在我們不知道我們有多正確。所以我們沒有數學技術來遵循這條鏈,從特定的流形到特定的弦振動,再到宇宙的物理。

弦理論家的回應是一種叫做「景象」的東西,一種由各種各樣的流形所預測的所有可能宇宙的多元宇宙,我們的宇宙只是眾多宇宙中的一個點。

相關焦點

  • 揭開弦理論的真面目:弦理論是解釋宇宙所有問題的終極理論嗎?
    弦與弦如何對稱?抱歉,所有的弦理論沒有具體描述。弦理論學家們認為[B格林,《宇宙的琴弦》,湖南科學技術出版社,2007年,第172頁]:在弦理論背景下,自旋與質量和力荷一樣,也關聯著弦的振動模式,與點粒子情形一樣,這可能會讓人錯誤地認為弦產生的自旋真是因為弦在空間旋轉,不過這樣的想像的確讓我們在頭腦裡有一個大概的圖景。那麼,正確的圖景應該是什麼樣的呢?
  • 弦理論創造的宇宙可能比想像的要少得多?
    哈佛大學物理學家Cumrun Vafa說:多年來,科學家們已經知道許多解決方案肯定會落在這片沼澤地上,但大多數,或者可能所有的景觀方案都可能存在的想法將會發生重大變化。事實上,從理論上講,要找到包含穩定暗能量的弦理論有效解決方案可能是不可能的。迷失在多元宇宙中弦理論試圖通過增加時空的額外維度和把粒子想像成極小的振動循環來描述整個宇宙。
  • 平行宇宙:多世界理論?弦理論?
    這些研究者於是轉向量子之下的更小的層面進行理論研究,得出了「弦理論」,用於解答所有的問題。令人驚訝的是,通過這樣的理論研究,這些物理學家(比如艾弗雷特)可以得出結論:平行宇宙是存在的。「弦理論」由美籍日裔物理學家加來道雄提出。「弦理論」闡明,宇宙中構成所有物質與自然基本力(如引力)的基本單元存在於量子層面之下。
  • 平行宇宙,多維度空間,怎麼用「弦理論」去解釋呢?
    說到弦理論,我們經常聽到關於高維空間的概念,什麼9維空間、10維空間,甚至早期的還有25維的。關於高維度空間的科普,網上多如牛毛,但應該很少有講到這些維度究竟是怎麼來的。所以今天,我們就來說點不一樣了。
  • 為什麼弦理論不是科學理論?
    這個科學過程通常涉及不斷獲取更多、更新的數據,當研究超出了理論的有效性範圍時,完善或推翻替換假設,並繼續進行測試以使理論能夠接受進一步的檢驗。無論我們是否能充分認識到,科學就是這樣在一直進步。(圖片來源於:維基百科用戶Lunch,卡拉比-丘流形的二維投影,一種壓縮弦理論多餘維度的普遍方法。)但這是物理理論嗎?
  • 多元宇宙理論是一把虛假的萬能鑰匙?我們應聽聽這些反對的聲音
    毫無疑問,我們以及我們能感知到的萬事萬物都被包含在一個我們可見的宇宙之中。那麼,我們可見的這個宇宙到底從何而來?這個宇宙是有限的還是無限的?如果是有限的,宇宙的邊界在什麼地方?如果是無限的,這個「無限」代表的是什麼含義?所謂「奇點」真的存在嗎?宇宙會一直加速膨脹下去嗎?時間是真實存在的嗎?宇宙是真實的存在還是具有欺騙性質的虛擬?我們這個宇宙是唯一的嗎?
  • 弦理論到底在說啥?
    在這樣的背景下,有物理學家提出了弦理論,認為它是能夠統一這兩大學說的「萬有理論」。你聽說過弦理論嗎?它真的能解答宇宙的終極問題嗎?為什麼要用弦來代替粒子作為萬物基元,而不是其他東西?弦理論所提出的高維空間真的存在嗎?它可以被證實嗎?關於弦理論,你不知道、想知道的,都在這裡!
  • 弦理論
    更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下內文會說明。弦理論與大統一理論弦理論會吸引這麼多注意,大部分的原因是因為它很有可能會成為大統一理論。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一,含有量很大。除了引力之外,它很自然的成功描述各式作用力,包含電磁力和自然界存在的其他各種作用力。超弦理論還包含組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙,這還是未知數。
  • 為什麼弦理論/M理論是萬物理論的主要候選者?
    弦理論的最早版本,玻色子弦理論,只包含了被稱為玻色子的粒子。後來發展成超弦理論,認為玻色子和費米子這類粒子之間存在超對稱性。在20世紀90年代中期,人們推測超級弦理論的五個一致的版本都是在11個維度上被稱為m理論的單一理論的不同極限情況。在1997年末,理論家們發現了一種叫做ad /CFT對應的重要關係,它將弦理論與另一種叫做量子場理論的物理理論聯繫在一起。
  • 解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!
    ,它們與我們的宇宙中存在的物質粒子集相同。根據弦理論,所有粒子和基本力都來自於微小弦的振動態。為了數學上的一致性,這些弦在10維時空中振動。為了與我們熟悉的日常宇宙(包括三個空間維度和一個時間維度)體驗保持一致,額外的六個維度被「壓縮」,因此無法被檢測到。不同的壓縮導致不同的解決方案。在弦理論中,「解」是指由愛因斯坦引力理論和量子場論耦合而成的時空真空。
  • 夢一般的弦理論,卻是個噩夢
    這就是弦理論最初的起源:作為強核相互作用的弦模型。如果你把介子想像成弦,那麼把它拉開會增加弦的張力,直到你達到一個臨界時刻,產生兩個新的介子。基於這個原因,弦模型很有趣,但它預測了一些看起來與現實不符的奇怪現象,如自旋2玻色子(這是未觀察到),事實,自旋1狀態不會變得大規模對稱中斷(即,沒有希格斯機制),需要 10 或 26 維。
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    模糊球思想避開了「信息悖論」和其他黑洞問題/怪誕,如無限密度、時間倒流、黑洞「在我們的宇宙之外」、空間維度變成時間維度等。模糊球只是漂浮在空間中的一團超緻密物質,碰巧也有幾乎任何東西都不能逃脫的引力。模糊球沒有「真實」的事件視界,也不需要處理信息丟失或無限時間膨脹的問題(困擾其他理論的問題)。
  • 平行宇宙這麼不靠譜的理論,為什麼會成為主流的科學理論?
    有生命是觀察者嗎?無生命的物體也能成為觀察者嗎?還是意識在其中起了作用?這種解釋也沒有回答坍縮時發生了什麼,或者平行宇宙和合併發生的頻率有多高的問題。有太多的問題沒有得到回答。    愛因斯坦認為一定還有什麼物理變化我們沒有研究透。薛丁格在20世紀50年代寫的一篇論文強調了他強烈反對波函數坍縮的觀點。任何觀察者都沒有理由幹涉一個物體的量子疊加。
  • 宇宙的終極候選理論知之超弦理論
    超弦理論是怎麼來的,首先說說目前宇宙中存在四種基本力,及電磁力,強相互作用力,弱相互作用力和引力。電磁相互作用產生的力是通過交換虛光子產生的電荷之間的電磁力,由此誕生了量子電動力學。弦理論就是一個數學和邏輯都比較符合的一個理論,這種理論認為物質的基本單元不是粒子而是很小很小的線狀的「弦」包括有端點的「開口弦」和圈狀的「閉合弦」。閒的尺度非常小,也就是普朗克尺度1.6乘以十的負35次方米。如此小的尺度,我們人類目前觀測不到,因此還沒有辦法驗證這個理論。
  • 弦理論:來自天堂的傳說,想要統一相對論和量子力學的超級理論
    現狀我們生存在同一個宇宙,卻有經典物理學、相對論、量子力學和弦理論4套互不相容的理論體系。沒有一個理論能夠達到自洽解釋宇宙所有未解之謎的終極理論的標準,這意味著現有的理論都不完備!無一例外!但是,問題是,問題解決了嗎?一個簡單的問題是,量子如何同時穿過雙縫幹涉實驗中的兩條狹縫呢?為了解決這個問題,物理學家們先後構建了哥本哈根詮釋、路徑求和解釋、平行宇宙理論、多維度解釋、超級大腦解釋、多歷史解釋和GRW自發定域理論。
  • 吉他可以彈奏出美妙的音樂,弦理論是否可以彈出浩渺的宇宙
    其次,只有存在9種空間維度,再加上時間,它才管用。這9種維度呈現的不只是怎樣設想這麼多維度的問題,它們還導致了弦理論痴迷者面臨的最大問題,由此也產生了一套豐富的解答。說真的,「豐富」都不足以形容它。此外,正如物理學家馬丁·波喬瓦爾德所指出的那樣,弦理論其實是一種不折不扣的萬物理論,因為萬物(和任何物)都可以在它裡面發生。
  • 弦理論解釋—什麼是現實的真正本質?
    宇宙的本質是什麼?為了回答這個問題,人們想了各種模型來描述這個世界。我們測試這些模型,並知道了哪些應該保存下來,哪些該捨棄。但當我們了解到更多,模型就變得更加奇怪且複雜,有些甚至困難到,相當難以精確地說明它,就像弦理論——一個著名的、充滿爭議的、並且常被誤解的理論。
  • 高中生都能懂的弦理論科普
    弦提供了一種優雅的數學方法來描述強核力,它是宇宙中四種基本力之一,它把原子核結合在一起。多年來,弦理論一直處於邊緣,直到1984年的「弦理論革命」。理論家麥可·格林和約翰·施瓦茲提出了一個方程式,展示了弦是如何避免某些不一致性的,這些不一致性困擾著把粒子描述成點狀物體的模型。
  • 如此玄幻的弦理論究竟是什麼?
    據牛津大學和英國皇家學會創建的關於弦理論的網站所說,這個異乎尋常的想法最早是在20世紀60年代和70年代形成,當時弦被用來模擬歐洲亞原子對撞機的數據。弦提供了一種優雅的數學方式來描述這一強大力量——一種將原子核結合在一起的宇宙四種基本力量之一。
  • 第五維度存在的意義:或許可以解釋量子理論
    圖源:unsplash弦論學家認為宇宙有許多維度:10個,11個,或26個。但是除了四維,其他維都捲縮於極其微小的空間裡,無法被探測到。後來,弦論家們用現在所謂的卡魯扎-克萊因理論(Kaluza-Klein theory)來描述他們的萬有理論(Theoryof Everything)。但假如卡魯扎是對的呢?假設宇宙確實存在一模一樣的第五維度呢?如果不完全一樣又如何呢?這就是本文所討論的觀點:通過求經典進化方程均值來量化場。本文將從數學上簡單介紹五維在量子理論中的合理性。