【弦理論】入門須知,拿去炫,不謝!

2021-01-19 學而思禮花蛋

究竟什麼是弦理論？我們通過以下一些問題帶你認識21世紀最偉大的理論之一。


【1. 什麼是弦理論？】



一維的弦構成了宇宙萬物。


弦理論的基本概念其實非常的簡單。回到古希臘時期，人們就一直在思索著物質是由什麼構成的？如果我們無限地分割某個東西，我們會得到一個最基本不可在分割的東西嗎？我們現在知道，如果我們這麼做的話，我們會得到分子、原子、亞原子。但這是終點嗎？弦理論家認為不是。所有的我們今天所知道的基本粒子，比如電子、夸克或中微子，都是由一種弦組成的。正如小提琴琴弦不同的振動方式可以奏出不同音高一般，基本粒子也是通過弦的不同振動狀態變成電子或夸克的。


【2. 是誰提出弦理論的？】


弦理論有一個不尋常的歷史。在1960年代，Gabriele Veneziano想要知道在原子核內的粒子的行為，以及構成中子和質子內的夸克是如何束縛在一起的。他找到了一個方程，精確地符合當時的數據，但他並不是太清楚他的數學方程究竟是什麼意思。在他之後Leonard Susskind和Holger Nielsen 等人詳細分析了該數學方程，他們發現方程可以描述振動的弦。因此，弦理論完全是研究強核力的一次意外發現。


【3. 弦究竟有多小？】



弦的大小。


對弦的最直接驗證方法是利用一個足夠強大的顯微鏡，去看在原子裡面是否有弦。但問題是弦是非常小的，大約10^-35米，這是什麼概念？我們知道構成我們身體的原子是非常小的，如果把原子放大到可觀測宇宙那麼大，同時把弦也放大到同樣的倍數，那麼弦只有一顆樹那麼大。因此想要直接觀測弦那將是一個巨大的挑戰。


【4. 弦理論認為空間不止三維？】


左邊為費米子，右邊為玻色子。


在大多數情況下，你可能聽到的都是「弦理論」。但其實弦理論是從玻色弦理論發展到超弦理論。我們知道基本粒子包括玻色子（光子、膠子等）和費米子（電子、夸克等）。最早期的弦理論叫玻色弦理論，只包括了玻色子；而超弦理論（加入了超對稱性）不僅以弦的振動解釋了玻色子，還解釋了費米子。玻色弦理論認為空間維度為二十五維，超弦理論則必須在九維空間才合理。現在我們說起弦理論的時候都指超弦理論。弦理論的維度是從一個不可思議的公式推導出來的．


【5. 什麼是M-理論？】



M理論、五種超弦理論與超引力之間的聯繫。（© Wikipedia）


在1995年國際弦理論會議上，威騰在他的演講中證明，通過一個高維度的引入，本應無比複雜的超弦理論（九維空間）變成了簡單的超引力理論（十維空間）。正當與會者都以為他的結論已經是演講的高潮時，威騰說道：


「Oh，there is one more thing.」


在1990年代中期之前，物理學家找到了五種不同的弦理論，它們相互分離並沒有聯繫。而威騰在演講的最後指出，他發現這些模型之間存在一種所謂對偶性的關係網。這些對偶性顯示，所有這些模型本質上是只不過是同一基本理論的不同表述。他將這個神秘的理論命名為「M理論」。威騰的發現引發了「第二次超弦革命」。


【6. 什麼是膜？】



（© Wikipedia）


在九維的超弦理論中，基本單元是一維的弦。而弦理論家在求解十位空間內的超引力理論的方程式之後，發現基本的解是二維的膜（brane）。我們通常將這些東西命名為p-膜，比如 p = 1 的膜是弦，p = 2 的膜是面等等。


【7. 弦理論的目標是什麼？】


弦理論的目標是為了完成愛因斯坦開始的統一場論。我們知道量子力學和廣義相對論在微觀和宏觀尺度都出色的發揮著自己的作用，但是當我們試圖將它們結合的時候就會出現很多問題，而弦理論就是為了協調這兩個理論，將它們統一在一起。弦理論所要做的就是將我們所理解的物質、能量、時間和空間都統一到一個數學框架中，如此我們就可以用一個理論描述世間萬物。


【8. 弦理論遭遇的主要質疑是什麼？】


雖然弦理論可謂是最強大最艱深的一個理論，但它仍然遭受很多批評，其主要原因就是還沒有實驗能夠驗證，如果它沒有提出可驗證的預言，那麼我們就無法驗證它是對的或錯的。要知道，一個好的科學理論除了能夠重複舊理論的成功，解釋當前遇到的問題，更重要的是做出可檢驗的預言。


【9. 弦理論有做出預言嗎？】



左邊為標準模型粒子，全部都已經發現；右邊為超對稱粒子，還未發現。（© DESY）


弦理論的確有一些預言，比如超對稱。超對稱理論認為每一個基本粒子都有一種被稱為超對稱夥伴的粒子與之匹配。所有的費米子（比如夸克和輕子）都有一個玻色子的超對稱夥伴（比如超夸克和超輕子），以及所有的玻色子（比如光子和膠子）都有費米子超對稱夥伴（比如光微子和超膠子）。雖然大型強子對撞機（LHC）無法直接探測到弦（因為太小了，LHC遠遠達不到所需要的能量），但是LHC可以探測到這些超對稱粒子。如果找到這些粒子，雖然還不能直接證明弦理論是對的，但至少證明我們在對的道路上。


參考文獻

【1http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/11/10.1063/PT.3.2980





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  • 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！
  • String Theory 弦理論
    在弦理論中，基本對象不是佔據空間單獨一點的基本粒子，而是一維的弦。這些弦可以有端點，或者他們可以自己連接成一個閉合圈環。正如小提琴上的弦，弦理論中支持一定的振蕩模式，或者共振頻率，其波長準確地配合。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。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，以下文會說明。
  • 弦理論到M理論,你知道弦理論的發展軌跡,和弦理論的科學依據嗎
    畢竟沒有科學證據能夠證明，宇宙大爆炸實實在在的發生過，同時現在的科學家開始有了一系列新的發現，弦理論就是在這個基礎上，逐漸的開始發展起來，隨著我國科教頻道的一個紀錄片出現，弦理論更加引起大家的注意。所以弦理論幾乎處於一個停滯的階段，這讓科學界對於弦理論是否正確，開始提出了一系列的質疑。隨著科學的不斷發展，重離子和超重力開始出現，此時弦理論終於找到了一些依據。一九八零的時候終於第一個超弦理論模型出現了，這個科學研究帶來了一個新的變化。
  • 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。
  • 為什麼弦理論不是科學理論
    這表明，儘管標準模型取得了成功，而且需要量子引力理論，但宇宙中還有比我們目前所能理解的更多的東西。解決這個難題的一種方法是弦理論，即我們認為的所有粒子或力都只是閉合或開放弦的激發，以特定的頻率振動。看起來，通過將其稱為「弦理論」並將其作為一個科學問題的可能解決方案，我們已經得到了肯定的回答:是的，弦理論是一個科學理論。
  • 平行宇宙:多世界理論?弦理論?
    加來道雄（Michio Kaku），弦理論的奠基人（TED THAI/TIME LIFE PICTURES/GETTY IMAGES）用於解釋宇宙基礎的理論不僅僅只有「多世界詮釋」與「哥本哈根詮釋」。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。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。
  • 為什麼會有弦理論
    我這裡所說的「弦理論」,並不是單指早期的「玻色弦理論」,或「超弦理論」,而是包含「M理論」在內的所有弦理論,可以說是廣義上的弦理論,另外因為這個理論不像,相對論和量子力學那樣成熟,它相對來說比較前沿,為什麼會出現這個弦理論,在一向重視實驗的物理學中。
  • 科學網—弦理論——看扁宇宙?
    這個理論發展到人們較為熟知的「弦理論」之後，才較為完備。 弦理論大致如此：幾十年來，物理學家相信構成原子的最小物質是點粒子，外部運轉的是電子，裡面是由夸克組成的質子和中子。弦理論認為，不可分割的粒子事實上是微小的、振動的弦，它或是接近環狀，或是有埠的尖形，但不過是小的弦。
  • 在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?
    「弦理論」名稱的由來是振動的基礎「弦」，它也是最初構建該理論的核心。弦理論認為，量子理論中所有基礎的亞原子粒子都存在於弦理論中，它們是由弦的振動而來，弦的不同的振動對應不同的亞原子粒子。這一點非常像是從振動的小提琴琴弦產生出的不同的音符。
  • 弦理論:一種欲描述一切現象的理論
    那麼，超弦理論到底是什麼？理論物理專家用下列概念來定義、評論超弦理論：    ——超弦理論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論；    ——超弦理論認為弦是物質組成的最基本單元，所有的基本粒子如電子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振動激發態；    ——超弦理論第一次將20世紀的兩大基礎理論——廣義相對論和量子力學結合到一個數學上自洽的框架裡；    ——超弦理論有可能解決長期困擾物理學家的難題如黑洞的本質和宇宙的起源
  • M理論能把各種弦理論結合在一起嗎？
    在這幾個理論中，弦振動的方式極大地豐富了我們的物質世界，從自然的力量到物質的構成，再到物理常數本身。但涉及到物理理論時，每個弦理論的細節就變得很重要，而這五種相互競爭的弦理論模型在細節上有所不同。一些理論只有閉合的弦環，而另一些理論則允許開放的、擺動的弦；一些理論只允許振動沿弦的一個方向傳播，而另一些則允許沿兩個方向傳播；有些理論則是其他理論的結合。
  • 物理學前沿之弦理論
    許多物理學家的夢想，包括愛因斯坦，都是為了找到一個統一的理論來描述所有的自然現象。在過去幾十年，就有這樣一個理論出現了：弦理論。特別是，發展到後來的M理論。在M理論中，物質不再是由標準模型中所認為的點粒子組成的，而是由一維的振動弦構成的，並且是在11維的時空內。這些弦的不同振動方式代表了不同的基本粒子。
  • 宇宙理論之爭!弦理論最終會被M理論統一嗎?
    弦理論的誕生伴隨著時代的契合和要求，它符合了科學家創造出的一切理論和未知的想像。然而在20世紀90年代早期，弦理論陷入了理論困境。幾十年來，理論家們一直希望相信，構成現實的基本構件是微小的、振動著的弦，因為它能夠解釋許多我們未知的存在。這是一個潛在的革命性的想法，能夠把所有的自然力和物質的所有構件結合成一個單一的、和諧的畫面。
  • 弦理論中的「弦」並不是主角?「膜」才是主角?原因何在?
    在今天的物理學界，已經有物理學家認為「弦理論」的名字本身是個錯誤。事實上，著名弦理論物理學家麥可·達夫曾詼諧地說，「弦理論」指的是「以前曾被當作弦的理論」。如今，弦理論已不僅僅是關於只在一個空間方向上延伸的「弦」的理論，還包含了在二維、三維、四維，直至更多維度上延伸的「膜」。
  • 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。
  • 弦理論能成為新的萬物理論嗎？
    弦理論也不是一個理論。它是一些相關理論的集合，其中任何一個都可能是真的，也有可能都不是真的。本文並非關於弦理論，而是關於缺乏研究萬物理論的不同範式方法。 雖然有非常多的量子引力理論試圖調和愛因斯坦的理論和標準模型，但很少有像弦理論那樣野心勃勃，它試圖將所有形式的粒子整合為一個：弦，它通過在多維空間中的振動產生不同的粒子。