弦理論解釋—什麼是現實的真正本質?

2020-12-04 天文在線

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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。

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。微小世界的奇妙景觀，一群群奇妙複雜的生物蛋白質組合，它們全由分子所構成並且又由更小的原子所構成。我們曾經認為它們就是世界的基本單元，直到我們將它們強力相撞，並發現了完全不可再切割的物質「基本粒子」。

但現在有個問題，基本粒子太小，我們不能直接觀測到它。試想一下，什麼是觀測呢?想要做觀測，我們需要光，也就是電磁波。這道波撞擊物體的表面，並反射至你的眼睛裡，光波攜帶著物體的信息，讓你的大腦能建構影像，所以你不能在沒有某種交互作用的情況下做觀測。

看到，便能有所了解，這是一個主動而非被動的過程。對大多數的物體來說，這都不是問題。但基本粒子非常非常非常的小，它小到我們過去所能看到的電磁波根本碰不到，可見光只會穿過它們。我們可以藉由縮小電磁波波長來解決這個問題，但波長越小，意味著能量越大。所以，當我們用一道高能量的光去照射粒子，光會改變粒子的位置。為了觀測它，我們改變了它的性質，結論是我們無法精確地測量基本粒子，這個現象重要到被命名為「海森堡測不準原理」，它是一切量子物理學的基礎。

所以，粒子看起來是什麼樣子?它的本質是怎樣?我們其實並不知道。如果我們儘可能去觀測它，我們可以看到一團模糊的物體，但這不是粒子本身，我們只知道它們存在。這種情況下，我們要怎麼對它們做科學研究呢?就像前人一樣，我們提出了新的數學模型—點粒子模型。

我們決定假設，粒子在空間中只是一個點，任何電子都只是空間中帶有特定電荷量和特定質量的點，而且所有電子都無法被區分，這樣物理學家便可以定義它們，並計算它們之間的交互作用，這套理論叫「量子場論」。它解決了許多問題，粒子物理中的標準模型都是建立在這上面的，而粒子物理實驗的精確值也相當高，有些電子的量子性質被測量出來了，精確值可以到0.0000000000002%(2*10^-13%)。所以，就算粒子並不真的是個點，這樣的假設讓我們可以相當精確地去描繪宇宙。

這樣的想法不僅讓科學進步，它也帶給我們許多每天都在用的科技成就，但是有一個重大的問題，即重力。在量子力學裡，所有的力都由特定的粒子產生。但根據愛因斯坦的廣義相對論，重力並不像宇宙中其它作用力一樣。如果宇宙是場戲劇，粒子就是演員，而重力則是舞臺。簡單來說，重力是種幾何學—時空間的幾何學，所以我們必須定義出絕對的距離。但在量子物理的世界中，我們無法明確地測量事物，重力模型與量子物理模型彼此並不兼容。當物理學家試圖增加新的粒子來描述重力時，他們的數學系統卻崩潰了，這是個相當重要的問題。如果我們可以結合重力與量子標準模型，我們可以得到徹底的萬有理論。所以天才們開始思考新的模型，他們問到:比一個點更複雜的事物是什麼?一條線?或者是一條弦?於是弦理論就這樣誕生了。

弦理論之所以會如此精美，是因為其採用了各異的震蕩模式來描述基本粒子，就像小提琴不同的琴弦震動，能夠發出各異的樂音，弦的各種震蕩模式也能產生不同的粒子。最重要的是弦理論也能描述重力，弦理論可以統合宇宙中所有的基本作用力，這造成了人們的群情激奮與大肆炒作，弦理論很快成為了可能解釋一切的理論。

不幸的是，弦理論有許多特殊的限制。在我們這由三維空間與一維時間組成的宇宙中，弦理論不能保持數學上的一致性，弦理論需要以十維的世界來運作。所以，弦理論確實能在理論的宇宙中運作，而物理學家想要找出去除剩餘六維的數學模式，來探究我們所處的宇宙。但直到現在，沒有能人能成功達成這個任務，並且弦理論中的預測全部都尚未被實驗證實。所以，弦理論並沒有真正透露出宇宙的真實樣貌，因此有人指出弦理論可能完全不實用。

科學是由一連串的實驗和預測所組成的，如果我們無法證明它，那麼我們為何要費心於弦理論呢？因為它與我們如何去使用它息息相關。

物理是建立於數學規則之上的科學，2+2=4這就是事實，不論你有什麼想法。而弦理論中的數學推導是可行的，這就是為什麼弦理論仍然是非常實用的原因。想像你打算造一艘巨大的郵輪，但你只有一張划槳小船的藍圖。它們顯然有諸多不同之處：引擎、材料、大小，但它們的原理基本上是一樣的—都是會飄浮在水上的東西。所以，透過研究划槳小船的藍圖，你最終可能還是可以學到怎麼去建造一艘郵輪。與此類似，有了弦理論，我們可以試著去解釋一些困擾物理學家們數十年的量子重力論難題，像是黑洞如何運行，或是它的訊息悖論。弦理論可能可以成為指引我們方向的一盞明燈。有了這個想法，弦理論就變成了一個理論物理學家的珍貴工具，並且可以幫助他們去探索量子世界的新層面，以及一些美麗的數學理論。

所以，雖然弦理論可能無法解釋一切事物，不過就如同點粒子模型一般，弦理論可以是一個非常實用的理論。我們還不知道現實世界的真實樣貌到底是如何，不過我們會繼續想出更多理論來試著探究，直到將來的某天。希望我們能真正了解其中的奧妙。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Kurzgesagt – In a Nutshell-流星魂

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