弦理論還有希望成為萬用理論嗎?

2021-01-09 騰訊網

弦理論能否發展到解釋世間萬物？

來自凱斯西儲大學（1975）的物理學博士弗雷德裡克·理查福德，和來自倫敦大學瑪麗皇后學院，摩根史坦利科學院物理學專業的普萊提斯·拉維支持如下觀點：

圖解：環繞水星的「信使」號。圖源：wiki

實驗已經表明弦理論至少部分是有誤的，環繞水星軌道數年的探測器「信使」號已經獲得了受人矚目的測量數據。我們可以首先設想一個理想中的實驗，假如太陽的質量變化了，那它本身又會發生一種什麼樣的改變呢？

圖解：太陽是一個巨大的核反應堆。圖源：baidu。

我們現在能夠了解的是，太陽是一個熱核反應堆，隨著氫元素被轉化為氦元素，質量也就轉變成為能量，這意味著太陽的質量在不斷流失，而且是平均每一秒就流失了約四百萬噸的巨額質量，不過鑑於太陽的總質量是以10^30千克為單位來計算，如此的質量損失當然只是微乎其微，但它的質量確實還是產生了流失。一方面，太陽是通過輻射來減少質量的，另一方面，太陽本身具有太陽風暴，它還會通過表面放射等離子體減少質量，這意味著太陽和水星之間的引力系統必然隨著時間變化，因此，我們需要一個極其精確的測量裝置來測量該引力場的變化。

圖解：太陽風暴。圖源：sina

人們需要能夠極其精確衡量這些細微變化的測量儀器，而且測量結果要與理論相符。如果太陽的質量發生變化，那麼水星的軌道也也必定會發生改變，我們對此深信不疑，而這正是「信使」號存在的意義。這種軌道的變化，以及太陽內部的核聚變過程，都與一個常數——重力常數G息息相關。根據統一場理論，例如超弦理論，既然G是一個常數，那麼它應該會隨時間改變。「信使」號藉助廣義相對論作為工具，廣義相對論預測的結果是，只要是質量所在的地方，時空應是彎曲的，穿過這個時空表面的電磁輻射必然會進入一個時空凹陷並從中穿出，假如根本沒有質量，時空就是平坦的，同時電磁輻射的路徑會更短。

圖解：廣義相對論中所談到的時空凹陷。圖源：kepuchina

因此我們可以得到時間運動的變化：質量的存在會造成時間流動的延遲。「信使」號本身是一個不斷發送信號的數字發射器，我們可以在地球上記錄這些信號，並從時間的延遲中得到類似於透視圖的數據，可以以此觀測太陽系中時空的變化規律。比如，我們可以從中發現，太陽質量的損失導致地球每年都會遠離太陽1.5釐米，這個變化很驚人，不是嗎？

圖解：地球正在緩慢遠離太陽。圖源：vcg

「信使」號已經持續觀測了7年，在水星軌道旁進行的不可思議的精確測量下，所觀測到的結論就是，它測量到的重力常數在這7年裡很明顯沒有發生變化。

圖解：「信使」號所拍攝到的水星照片。圖源：sina

迄今為止，還沒有儀器能像「信使」號那樣準確地測量出引力常數。當然，目前我們也許可以解釋說，7年並不算很長，然而，在已經持續七年的精確測量下，我們可以往後推斷出更長時間裡的變化。結果很明顯，自然常數，也就是所謂的引力常數（常用G來表示），它的波動範圍非常非常小。我們必須承認，那些檢驗自然常數是否為常數的實驗，結果都明顯表明所有的自然常數實際上都是常數。

這是怎麼做到的呢?假設是「信使」號，或是你自己凝望太空時，你正看向非常遙遠的物體，同時你也正看向來自久遠過去的放射物。從這些放射物的特性來看，我們可以探討一些有關於彼時原子內部的放射過程是如何成為我們今天所測量到的放射物的問題。在不同變量存在的情況下，所有的實驗都表明，自然常數在我們的測量範圍內是恆定的。甚至在實驗室裡，精準也能驗證這一點。現在，用雷射可以非常精確地測量放射光譜，自然常數也是近似絕對恆定的。這個結果對於那些曾預測自然常數具有不穩定性的理論來說也許是一個災難。但很遺憾，我們必須承認且時刻提醒自己，光憑理論是不行的，只有實驗才是證明一切問題的最佳手段。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. 諾諾- Toni Sementana

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 弦理論
    弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明宇宙裡所有微觀粒子如電子、質子及夸克都由這一維的「能量線」所組成。較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成，也是目前廣為接受的物理模型，也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題，但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來，弦理論的基礎是波動模型，因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。
  • 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！
  • 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?
    在上一篇《神秘的弦理論——橫空出世》裡，我們回顧了構建弦理論的原因——粒子標準模型無法自洽地解析微觀世界的客觀現象和運作原理。人們需要一個「全新」的理論來解決問題。一些學者用歐拉β函數來描述原子核內強子間的強作用力，用振動的弦來解釋兩個強子間為什麼會緊緊吸引在一起。弦像一根彈簧將兩個「小球」（強子）緊緊連在一起。弦理論由此橫空出世。
  • 為什麼弦理論不是科學理論?
    似乎，通過稱其為「弦理論」而將其表示為一種科學問題的解決方案，我們已經給出了肯定的回答：是的，弦理論就是一種科學理論。但它僅僅是數學意義上的理論， 這意味著它有自己獨有的一套公式、假設、元素與由其推導的定理和推論。集合論、群論、數論都是數學理論的例子，弦理論也是如此。
  • 為什麼弦理論/M理論是萬物理論的主要候選者?
    在物理學中，弦理論是一個理論框架，在這個理論框架中，粒子物理學中的點狀粒子被稱為弦的一維物體所取代。它描述了這些字符串如何在空間中傳播並相互作用。在比弦尺度大的距離尺度上，弦看起來就像一個普通的粒子，它的質量、電荷和其他性質都是由弦的振動狀態決定的。在弦理論中，弦的許多振動狀態之一對應著重子，一個帶有重力的量子力學粒子。因此弦理論是量子引力理論。
  • 平行宇宙:多世界理論?弦理論?
    他們希望通過這種方式來理解世界上所有的事物。愛因斯坦在提出相對論之後，把所有的精力都投入了對宇宙的本質的探索，這個本質的發現將能夠解答所有的物理問題。這個看不見摸不著的理論被稱為「萬物理論」（Theory of Everything）。量子力學的研究者堅信他們正在朝這個終極理論前進。但是還有一部分研究者認為量子的理論不是最末的層面，因此萬物理論無法從中得出。
  • 宇宙的維度會比我們想像的更多嗎?弦理論是萬能理論嗎?
    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:來自天堂的傳說,想要統一相對論和量子力學的超級理論
    從此以後，粒子學家們可以巧妙地迴避量子力學為什麼不使用粒子說的矩陣力學方程這個問題，可以理直氣壯的用老對手波動說的波動力學方程——普朗克常數和波函數來描述他們心中實實在在的粒子。光、電和亞原子粒子這些量子都具有波粒二象性。從此「天下太平」。但是，問題是，問題解決了嗎？
  • 弦理論解釋—什麼是現實的真正本質?
    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。為何會有人想出這套理論，而它的描述是正確的嗎?或者只是一個不值得重視的想法?為了知道自然的樣貌，我們近距離地觀察各種事物，並且驚奇於其中深藏的奧妙。
  • 夢一般的弦理論,卻是個噩夢
    一方面，弦理論突然使粒子和相互作用的標準模型與廣義相對論相一致成為可能。通過把每一個基本粒子看作是以特定的、獨特的頻率振動的開弦或閉弦，而把自然界的基本常數看作弦理論中真空的各種狀態，物理學家們最終可以希望把所有的基本力統一起來。
  • 弦理論是物理學還是哲學?
    弦理論是物理學還是哲學？弦理論是物理學還是哲學，這取決於一樣至關重要的東西——你是否掌握高等數學！如果你表示看不懂微積分，沒聽過黎曼幾何，那麼弦理論對於你來說，是哲學、八卦、或者神學都無所謂；除此之外，有高等數學作為工具，你當然不會再問出這個問題。
  • 現代版「盲人摸象」:M理論是「大象」,包含5種不同的弦理論
    這中間，弦理論就是一個具有代表性的例子。弦理論起源於上世紀60年代末，它的中心思想就是要將廣義相對論與量子力學融合，建立一個「萬有理論」。發展到20年之後的上世紀80年代末，物理學家們發現，弦理論儘管向人們提供了一幅獨特的宇宙圖景，但是還不夠完美，問題主要出在兩個方面：其一，數學方程作為構建弦理論的骨架，但方程的解卻讓弦理論家們頭疼。
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    （請注意，這裡唯一會崩潰的是我們的理論，而不是實際運行宇宙的定律。）弦理論是唯一一個甚至有可能猜測黑洞內部的真實情況主要理論，（例如「模糊球」）。量子力學（廣義相對論的主要「競爭對手」和弦理論之父）也反對奇點。來自黑洞-維基百科：廣義相對論中奇點的出現通常被認為是理論崩潰的信號。
  • 如此玄幻的弦理論究竟是什麼?
    弦理論是一個前沿的觀點，即所有基本粒子實際上都是弦的微小振動環。弦理論試圖將20世紀物理學的兩大支柱——量子力學和愛因斯坦的相對論，與一個可以解釋所有物理現實的總體框架結合起來。它通過假設粒子實際上是一維的、像弦一樣的實體來實現這一點，這些實體的振動決定粒子的特性，比如它們的質量和電荷。
  • 高中生都能懂的弦理論科普
    弦理論試圖將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——結合起來，形成一個能夠解釋所有物理現實的總體框架。它假設粒子實際上是一維的、弦狀的實體，弦的振動決定了粒子的性質，比如質量和電荷。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。
  • 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?
    可視化模型體現了氫原子的波函數。    量子力學用波函數描述的量子的概率。事實上，量子物理學最初被稱為波動力學。你可以用波函數來確定不同結果的概率。粒子的每一個可能的結果都包含在波函數中，這些不同的可能性以波的方式相互幹擾。
  • 比10維弦理論更高級,11維M理論能否成為「萬物至理」?
    要解開這個答案的理論就是弦理論，現在被確定為0維度的基本粒子在弦理論中是一維膜振動的結果。其實膜本身是二維的，一維的膜就是弦。弦理論認為傳遞強力，弱力的玻色子是開弦的。開弦就相當非閉合的繩子，並存在兩個端點，一維膜（弦）的兩個端點被二維膜給擠壓了，導致弦形成的基本粒子不可在空間自由移動，只能被封閉在特殊的時空中。
  • 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。
  • 解讀弦理論,它擁有無數種創造宇宙的方法!
    但這不是一個很小的子集：至少有一萬億個這樣的解，使它成為弦理論中發現的最大的這樣的集合。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。
  • 弦理論創造的宇宙可能比想像的要少得多?
    對一些人來說，消除這麼多可能的宇宙不是缺點，而是弦理論向前邁出的重要一步，為做出可測試的預測帶來了新希望。但也有人說多元宇宙將會繼續存在，對於所有這些宇宙提出的問題根本不是問題。圖片：Juergen Faelchle/Shutterstock博科園-科學科普：弦理論家們為2018年的會議召開了會議，這場辯論在6月底的日本是一個熱門話題。