三分鐘看懂「超弦理論」,萬物的本質只是振動的能量而已

2020-12-06 科羅萬象

在很多人眼裡超弦理論非常高深莫測,晦澀難懂,理解每一個問題都涉及到很多分支,這裡小編用最通俗易懂的語言,給大家科普下超弦理論,其實主旨大意非常簡單。

在超弦理論還沒被提出之前,物理學界誕生了兩大重要的理論,一是愛因斯坦提出的相對論,二是量子力學的建立,雖然兩者當時並未被證實,但兩者的理論在各自領域對說明很多物理問題都取得了成效,看似雙方都正確的情況下卻出現了一點小問題。量子力學描述的是微觀世界(例如原子量級大小的物質)的現象和規律,在量子力學中的萬有引力小到完全可以忽略,而廣義相對論涉及到宏觀大尺度的物體運動包括了空間的扭曲產生了「引力」這種現象。

當科學家討論到宇宙大爆炸的時候(宇宙大爆炸的奇點和爆炸的瞬間),這一現象既屬於微觀尺度又屬於宏觀尺度,量子力學和廣義相對論的矛盾就出現了,兩者把物理定律搞的一團糟,開始有點自相矛盾。

這個時候超弦理論就登場了,試圖統一量子力學和廣義相對論的矛盾,也試圖將世間萬物的存在都統一到「弦」上,當然這根弦不是我們能夠觀察到的,超弦理論認為組成我們世界的物質包括原子,電子,夸克等都不是由實體物質構成的,而是由萬物的基本單位「弦」的振動所構成,弦的不同振動方式會形成不同的粒子。

假設弦以A方式振動那麼會出現頂夸克,以B方式振動會出現底夸克,以C方式振動會出現光子等。弦的振動產生了微觀粒子,微觀粒子又構成了世界,並且弦的振動是一種能量到實體物質的轉化,我們無法捕捉到弦,就像我們無法實際捕捉到「能量」。在超弦理論中,萬物的本質只是振動的能量而已。

在超弦理論還沒出來之前人類對於維度的探索止步四維,超弦理論誕生後的一個重點就是人類認知的維度變成了十維空間加上一維時間即十一維時空,人類生活在三維空間中,在三維空間中的人是無法感知高維度的存在,就像人類是無法聽到超聲波也看不見紅外線的,需要藉助儀器才可以。

而超弦理論之所以搞那麼多維度出來是為了實現大統一。科學家試圖在三維空間內解釋,但是發現低維度根本無法詮釋,所以就開始提高維度,直到提高到了十一維空間才統一了四種基本的相互作用力(萬有引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用),這才解決了量子力學和相對論之間的不恰,完成了大統一。

雖然超弦理論目前也是尚未被證實的理論,但它所構建出來的框架可以將矛盾點所融合,或許將來有一天的科學家可以將超弦理論的版圖拼湊整齊,為物理學翻開一頁新的篇章。

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    超弦理論試圖統一量子力學和廣義相對論的矛盾,它將世間萬物的存在都統一到「弦」上。超弦理論認為組成我們世界的物質包括原子,電子,夸克等都不是由實體物質構成的,而是由萬物的基本單位「弦」的振動所構成,弦的不同振動方式會形成不同的粒子。
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    簡單說來,我們可以這樣來定義超弦理論:(1)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;(2)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;(3)超弦理論第一次將二十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冾的框架裡;(4)超弦理論有可能解決一些長期困繞物理學家的世紀難題如黑洞的本質和宇宙的起源。
  • 簡單破解超弦理論
    弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質是可以轉化的,故弦理論並非證明物質不存在。弦論中的弦尺度非常小,操控它們性質的基本原理預言,存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體,後者被簡稱為「膜」。直觀的說,我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。弦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。
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    雖然只用一種理論解決所有公式定律理論聽起來好像過於理想,但這就是某些物理學家跟科學家們在做的事情,或許這就是他們的願望或者是終極夢想,在愛因斯坦去世不久後一個新的理論悄悄誕生了,這理論認為宇宙萬物都是由一種小到無法想像的振動能量弦所構成,這就是弦理論,也是有望統一宇宙四種基本力的萬有理論。
  • 引力是超弦的一種振動模式?
    超弦理論就是在這種思想下提出來的,該理論認為,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克等等這樣的基本粒子,這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的「弦」——在每一個基本粒子內部,都有一根細細的線在振動,就像小提琴琴弦的振動一樣,因此這根細細的線就被科學家形象地稱為「弦」。
  • 弦理論是什麼?宇宙只是投影影像?
    不同理論下,宇宙的本質有所不同弦理論是將微觀粒子進一步細化,假設微觀粒子都是由弦構成。弦具有不同的運動方式和振動頻率,從而形成了不同的微觀粒子,進而形成宏觀物體。愛因斯坦曾嘗試利用空間解釋一切,我們所看到的宇宙萬物,只是空間的摺疊扭曲,從而利用空間來解釋一切,形成大一統理論,但是愛因斯坦失敗了,沒有完成統一基本力的大一統理論。愛因斯坦嘗試利用空間解釋一切,而弦理論,嘗試利用「能量弦線」解釋一切。
  • 弦理論和超弦理論是什麼?它們能解釋宇宙的起源嗎?
    也就是說,除了左、右、前、後、上、下之外,還有其他空間維度,只是我們目前還看不到而已。面對一個大膽而且離奇的猜想,人們的焦點往往在它的大膽和離奇上,但這部分與我們周圍的世界是毫無關係的。然而,卡魯扎的想法,雖然還不能斷定它是對還是不對(也許還得很多年之後才能斷定),但在20世紀,它已經對物理學產生了重大的衝擊,並且現在仍在推動許多尖端研究。
  • 超弦理論能否使其化幹戈為玉帛?
    長久以來,超弦理論被視為萬有理論,很多人把自然規律的大一統寄托在超弦理論上。愛因斯坦在完成廣義相對論之後才36歲,可是愛因斯坦一共活了76歲,可以說愛因斯坦在中年以後的40餘年內一直致力於大統一理論。可他至死都沒有完成大一統理論。愛因斯坦的遺憾後人能否彌補?看來最有希望的還是弦理論了。
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    當然這不是說它們真的就從此不再爭吵,只不過這個新理論讓廣義相對論和量子力學兩位「老人」細細地觀察了一番,沒工夫再吵下去了而已,人們還為這個新理論取了一個好聽的名字——超弦理論。但至於為什麼說超弦理論是橫空出世的,時間還要回到20世紀。
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    文/布萊恩·葛林譯/梁曉鵬1919年,一位幾乎不知名的德國數學家西奧多·卡魯扎提出了一個大膽的、在某種程度上說非常離奇的想法——我們的宇宙實際上可能不止三維,而是具有更多維度,也就是說,除了左、右、前、後、上、下之外,還有其他空間維度,只是我們目前還看不到而已。
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    超弦理論的幾乎沒有異議的預言是超對稱和高維空間。至於超對稱在什麼能量標度破缺以及高維空間在什麼尺度緊緻化,弦論還沒有成熟到可以預言的地步。如果能用簡單不費錢的實驗探測到超對稱和高維空間的痕跡,毫無疑問是令人振奮的事。
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    99%的人都不理解:超弦理論與平行宇宙是什麼?在我們普通人的認知當中,事物一般都是三維立體的,加上時間的概念,構成了我們所熟知的四維宇宙,但是無論是牛頓還是愛因斯坦,都提出了宇宙可能存在多維空間,平行宇宙當中,10維空間也是可能存在的,那麼這樣的超弦理論和平行宇宙,到底是怎麼回事呢?
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    弦理論中,弦為什麼必須振動呢?它為什麼振動?我曾經回答過,如何簡單的通俗的講講弦理論,要進一步解釋這個原因,我們得稍微複習一下前文。標準粒子模型無法滿足吃瓜群眾,於是,有高手靈光一閃,提出一個更猛的命題,宇宙的本質是什麼?結果整出來——弦理論。別說玄幻,這一下子,在數學上是完成了形式上的統一了。弦理論假設,將以前我們認為是粒子的夸克和輕子,都作為"弦"——振動的能弦,它們在11維中擺動,包括我們已知的3個,維度再加上時間,以及7個別的維度。
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    根據超弦理論的說法,正是因為弦的振動才產生了我們所熟知的各種基本粒子,比如說質子、中子、電子等。人類一直以來都想要一統自然界中四種基本的力,也就是強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用以及引力相互作用。根據現有的理論,這四種力無法統一,而用超弦理論可以將這四種力統一。