超弦理論、M理論、高維空間是啥?咋來的?看完這篇文章你就懂了

2021-01-07 後浪科普

我們都知道在宇宙存在四種基本力,其中廣義相對論可以描述引力場,楊-米爾斯理論可以描述弱力、強力、電磁力,但是當物理學家試圖把相對論和量子力學相融合時就,卻發現無法兼容,於是物理學家就想能不能只用一種理論就能描述宇宙所有的現象?能不能只用一種理論就解釋所有問題?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。

弦理論

在1968年,一個年輕的義大利物理學家維內奇諾在尋找描述原子核內強相互作用力的數學方程,結果無意間從一本古老的書中找到了一個舊的方程式,這個方程大約是200年前的方程,這個方程就是歐拉方程,而這個古老的方程竟然能描述強相互作用力,後來這個方程流到了李奧納特·蘇士侃的手上,蘇士侃花了一點時間研究這個方程,他認為這個方程描述了一種粒子,這種粒子可以振動,而且它不僅僅是一種粒子也是一種弦。

超對稱理論

後來到了1971年又出了一個叫超對稱理論(現在依舊只是理論層面),超對稱理論講的是費米子和玻色子之間應該也有對稱性,這個對稱性導致的結果就是費米子和玻色子它們有它們自己的超伴子,例如費米子有玻色伴子,然後玻色子有費米伴子,這個費米子和玻色子其實也很好理解,費米子是組成物質的粒子,玻色子是傳遞相互作用力的粒子。

超弦理論

到了1980年約翰·施瓦茨和麥可·格林把弦理論和超對稱理論結合就變成了超弦理論,後來人們在講弦理論時其實就是在講超弦理論,雖然弦理論一開始的目的是為了了解強相互作用力,但是後來人們卻發現幾乎所有基本粒子都可以由這振動的能量弦所構成,只是差別在於弦的振動方式或是有幾條弦在振動而已,目前我們的維度是第三維度,在這個維度不能解釋宇宙的所有現象。

時間&時空

講到維度常常會有人搞混,我們處於三維空間,但是愛因斯坦把時間也加了進來於是就變成了四維時空,時間和空間是緊密聯繫而不可分割的,空間反映物體的存在,時間刻畫物體的運動,時間和空間統稱為時空,三維物體雖存在於三維空間中,但卻是在四維時空中運動,簡單講就是三維空間在某個理解上其實就是四維時空,所以空間跟時空這2個名詞要搞清楚。

我們所看到的世界

如果超弦理論要保持連貫的話他必須擁有10個維度,所以在我們三維空間中你必須加入7個維度進來,那為什麼目前我們的維度不能解釋宇宙的所有現象呢?我舉個例好了,我們三維生物看到的世界其實都是面而已,三維生物只能看到二維的畫面,二維的畫面也就是面,二維生物只能看到一維的畫面,一維的畫面也就是線。

想像一下如果我們是二維生物,假設我們活在直角坐標繫上,因為沒有Z軸的高度所以我們一眼望去看到的都是線,但是如果有三維生物在地面下留下了兩個腳印,身為二維生物的我們會看到兩條沒有連在一起的線,這兩條線分別是左腳印跟右腳印,左腳印好比量子力學,右腳印好比相對論,在二維世界裡相對論跟量子力學看起來不能融合,只是兩條沒有連在一起的線,但是這看似不相干的左右腳印沒想到在更高的維度上他們卻是一體的。

但是身為二維生物的我們是沒有辦法理解的,簡單講就是雖然量子力學和相對論在我們的維度是沒有辦法相融合的,但或許在更高的維度上可以很自然的相融合,也就是10個維度的超弦理論,那我剛剛前面講到三維生物只能看到二維的畫面,二維畫面就是平面,可是你會說我們明明看到的東西都是立體的怎麼會說是平面呢?

其實我們之所以會覺得是立體的是因為我們看到的立體是由許多高高低低深深淺淺的小平面所構成,讓你看起來感覺畫面是立體的,那真正的立體畫面是長什麼樣子?真正的立體畫面也就是四維生物所看到的畫面,真正的立體是沒有遮擋的,也就是說你可以看穿所有的東西,就像透視一樣,這才是真正的立體畫面,關於維度一會再說,先繼續扯超弦理論。

M理論

根據超弦理論,所有粒子和基本力都來自於微小弦的振動,為了數學上的一致性,這些弦在10維空間中振動,我們目前可感知到的維度只有3維,那麼其他的維度跑到哪去了?為什麼我們感知不到?有人提出這額外的7個維度被壓縮或者是捲曲了起來,而且至少有數百萬種捲曲方式,如果我們撥彈這根能量弦線它就會振動,說不定這個振動就會產生出各種已知未知的各種粒子,而不同的基本粒子實際上就是弦在彈奏著不同的音調。

那麼弦與粒子的質量是怎麼解釋的?根據愛因斯坦的質能方程,簡單講就是能量可以轉換成質量,能量越大質量就越大,也就是弦振動的越劇烈產生粒子的質量就越大,反之亦然,宇宙中所有的粒子都可以被視為弦的各種不同振動,弦所發出的各種「和弦」就有可能構成各種物理定律,可以寫在弦上的「旋律」有可能就是某個定律或者是某個理論,不同的振動方式加上不同的「和弦」產生宇宙萬物。

弦理論的美在於它可以比喻成音樂,如果弦理論是正確的話我們可以猜想是不是有可能上帝就是在10維世界演奏著創造宇宙萬物的音樂,當上帝彈奏著簡單的和弦歌曲就創造出低維的世界,隨著歌曲等級的提高就會創造出高維的世界,後來弦理論還有五種版本進而導致11維的M理論出現,而且這5種不同版本的10維弦理論只是構成11維M理論的基礎,但是人類只能感覺到三維空間,其餘的維度我們感覺不到,感受不到就不存在麼?當然不是。

舉個例子——光譜,我們人類只能看到可見光的波長,可見光的波長範圍一般是定義為波長介於400到700納米之間,也可以說我們只能看到可見光的頻率,因為光是由波長乘以頻率所組成,紫外線的波長再往下降還有X射線伽瑪射線等等,紅外線波長往上還有各種無線電波,我要講的是其實我們人類只能看到光的而已小小一點範圍而已,很多我們看不到或是感覺不到的。

高維空間

零維是一個沒有長度沒有寬度沒有高度的點,簡單講零維就是一個點。

一維是一條沒有寬度沒有高度的線。

二維就像是在X-Y坐標系上沒有Z軸的面,所以是一個沒有高度的面。

三維就像是X-Y-Z坐標系,有了Z軸這個高度,有長、有寬、有高的空間這也就是我們所生活的三維空間。

再往下說之前我要先說一個概念——空間捲曲

我們假設一個二維生物0進入三維空間,那麼這個0的時間會如何變化?假設0在二維空間從A點跑到B點需要花10分鐘的時間,但是我把二維空間捲曲起來就變成三維空間,原本A到B需要10分鐘的時間,但是我們把二維捲曲起來時A到B只需要一瞬間就能到達。

所以二維到三維空間的變化是多一個Z軸的高度,有了高度平面才可以捲曲起來,所以平面不再是平面,時間的變化從10分鐘變成一瞬間,當然身為三維生物的我們是沒有辦法控制時間的,我們只能看到時間點,就是我們活在當下的意思,也就是我們不能看到過去跟未來,我們只能看到時間軸上的一個點。

四維多了一維,這一維就是時間軸這一條線,身為四維生物他比我們三維生物多了一種能力,因為他可以看到整個時間軸這條線,而我們只能看到時間點,也就是四維生物他可以看到自己的過去跟未來,從出生到死亡。

五維又比四維再多一條時間線,所以變成兩條時間線,舉個例子,如果我能看到這兩條時間線,也許我會發現一條未來很窮,另一條未來更窮。

那六維要怎麼理解呢?當我們是五維生物時我們只能從平面上的點出發,雖然我們可以看到未來的兩種可能,但是我們只能線性移動,但六維生物就不一樣了,他可以把五維空間捲曲起來,就像前面我講的把二維平面捲曲起來變成三維空間,六維生物可以把五維的兩點連接起來,這時六維生物多了一種能力,他可以無視時間的存在回到過去,所以簡單講六維生物多了一種能力,可以無視時間的存在回到過去。

那麼七維要怎麼理解呢?當你是七維生物的時候你擁有無限的可能!你擁有無限個時間線你有無限種選擇可能性,你將有無限種未來,從這個宇宙的大爆炸開始到宇宙的終點完結,你可以穿梭體驗各個時空,穿梭各種平行宇宙,聽到這裡你會覺得七維生物就像神一樣存在!但是我還沒有講完。

那八維會是什麼情況?八維會比七維多一條宇宙大爆炸的時間線,這一條宇宙大爆炸的時間線所擁有的物理規律跟我們不一樣,物理規律跟我們一樣的我們稱為平行宇宙,像這樣物理規律或物理常數跟我們不一樣的我們稱為多重宇宙或是多元宇宙,八維生物可以移動到與我們物理規律或物理常數不一樣的多元宇宙,但是也只能線性移動。

接下來腦洞再開一點我們再繼續講九維,九維生物可以捲起八維平面,他可以瞬間穿梭於任何平行宇宙,甚至可以穿梭任何物理常數不一樣的多元宇宙,他想去哪個宇宙就去哪個宇宙,他可以體驗每個平行宇宙的他,也可以體驗每個多元宇宙的他,聽起來就像神一樣的存在,那麼既然九維已經這麼神了那麼十維要怎麼解釋?

十維的你包含所有的可能,包含所有無限的可能,無限條分支所有所有的一切你都能包含,因為你擁有無限條分支,無限條分支到最後的結果看起來像是一個龐大的圓,這個龐大的圓看起來像是回歸到零維的點,所以這也就是為什麼有人說宇宙起源於「無」,這個龐大十維的你包含所有所有的一切,你可以成為任何人。因為這個十維包含了所有的無限可能,這也就是為什麼有人會說我們起源於一個龐大的意識,而且你我他都是一體的!那你會說根據M理論宇宙有可能是十一維的?這要怎麼解釋十一維?

我認為是另一個無限可能的龐大意識也出現了,這兩個無限可能的龐大意識他們之間有了連結,這十一維看起來跟之前的一維一樣像是回歸到了線,十維回歸到點十一維回歸到線,只是這個點跟線的大小程度已經不能跟當初相提並論,那麼照這樣的邏輯繼續發展下去那會不會有十二維十三維十四維甚至更高維呢?還是目前的十維十一維就已經是造物主了呢?

結語

這次所說的內容基本都沒法證明,沒法證明的東西自然無法推翻,但從我的角度來說,我對這些無法證明的東西是不相信的,誰也沒說過萬物理論一定要存在,也不是所有的事情都有完美的結局,你呢?

相關焦點

  • 宇宙中是否存在高維空間?超弦理論說的十一維宇宙是怎麼回事?
    目前以有相關理論,在數學上支持高維空間的說法;但是在實際當中,還無法驗證高維空間的存在。而在上世紀末,發展起來的一個非常前沿的理論——超弦理論,就認為我們宇宙由「十維的空間+一維的時間」組成,但是空間的七個維度被蜷曲在普朗克尺度,只有三個維度的空間在宇宙大爆炸時展開了。
  • M理論:統一了五種超弦理論和11維超引力理論
    比如,根據弦理論,粒子被看作是長度為普朗克尺度一維弦,在引入費米子的座標後,科學家提出了超弦理論。超弦理論暗示的平行宇宙時空必須擁有十個維度,時空中也存在超對稱現象,但沒有真空穩定態的問題,超弦理論的形成意味著此類平行宇宙並非由粒子和場構成的時空,宇宙不僅是四維時空,而是多維的。
  • 弦理論裡超過四維的高維空間是什麼樣子的?
    而物理學家通過計算得到的時空維數是統一的,特別是弦理論和超弦理論,它們是統一四種基本力所需要具備的時空維數,維度並不是每一維什麼樣子,而是多少維就是這個樣子。拿超弦理論後M理論來說吧,26維弦理論太古老了。超弦理論裡一共有九個空間維度,加上一個時間維度一共是十維時空。
  • 超弦理論與平行宇宙
    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?
  • 淺談量子引力及超弦/M-理論
    報告題目:淺談量子引力及超弦/M-理論 報告人:盧建新 教授 中國科技大學 報告時間:2019年9月25日10:00 報告地點:中心校區唐敖慶樓C603報告廳 報告摘要: 本報告將通俗介紹為什麼要研究量子引力,超弦/M-理論在量子引力和相互作用統一理論研究中的作用和地位,超弦/M-理論的基本內涵,以及該理論的研究又給了我們什麼啟示等。
  • 尋找超弦理論的證據,解釋自然界中所發生的一切相互作用
    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。
  • Superstring 超弦理論
    (5)超弦理論的實驗證實將從根本上改變人們對物質結構、空間和時間的認識。首先,我們發現,弦理論描述自然界的活動還真有幾分科學幻想的成份。舉例來說、弦理論描述的世界並不是我們肉眼所看到的三維空間和一維時間。合理的解釋是那些額外的空間維數沒有被觀測到是因為它們很小很小。要理解弦理論的高維屬性並不困難。
  • 高維度理論為什麼不能存在,看看此文就懂了
    而大家發現了沒有,各種科普都愛把空間維度往高了說,尤其是抖音上,我看到過好幾個這樣的解說。我在《變化》中的那篇文章叫《宇宙時空的哲學》,你可以先去看看那篇文章,然後再回來接著看這篇,這樣你就清楚我為什麼接下來會這樣寫。我懷疑高維度時空理論存在的原因是那樣的維度空間我們無法想像。而今天我將用另一種方式,來再說一次為什麼。
  • 「弦理論」的升級版,對於「超弦理論」,你知道多少呢
    我們都知道,早期弦理論一度被打入冷宮,只是後來經過施瓦茨等人的不懈努力,才發展出了後來的升級版本「超弦理論」。相信很多人都會有個疑問,為什麼叫「超弦理論」。這裡的「超」到底是個啥意思?它和之前的「弦理論」到底有什麼區別?今天我們就來解答這個問題。
  • 十維空間是超弦理論裡用數學語言描繪的空間,目前還無法得到實證
    超弦理論暗示的平行宇宙時空必須擁有十個維度,時空中也存在超對稱現象,但沒有真空穩定態的問題,超弦理論的形成意味著此類平行宇宙並非由粒子和場構成的時空,宇宙不僅是四維時空,而是多維的。上個世紀90年代中期,南加州大學超弦會議上,物理學家威頓等公布了有關超弦的研究成果,涉及對偶性與不同超對稱理論,科學家發現可以用不同的維數膜來研究對偶性,超弦理論下的10維時空透過強耦合極限可以形成11維的時空,由此誕生了M理論。
  • 簡單破解超弦理論
    超弦理論認為宇宙是由五種弦組成,三種閉弦,兩種開弦。然而這十維空間讓很多人頭痛,人類的頭腦只能理解到三維,難道解釋弦理論一定要用十維空間嗎?我們今天就來簡單破解超弦理論,教你理解「多維空間」。我們現在用這個方法來觀察宏觀世界,我們站在地球上觀察月球的運動,月球是做圓周運動;我們站在太陽上來觀察,地球做的是圓周運動,月球做的是彈簧圓周運動;如下圖:如果我們站在銀河中心來看,太陽做的是圓周運動,地球做的是彈簧式圓周運動,運動模式如在太陽上看月球的運動模式;如果我們站在宇宙中心來看,銀河中心的黑洞做的是圓周運動,太陽做的是彈簧式圓周運動,此時的地球成了下圖中的綠色運動軌跡
  • 如何評價文章《楊振寧的最後一戰》對超大對撞機計劃與超弦理論的...
    支持方表示,這是一次能讓中國成為世界高能物理中心的機會,還能極大推動中國高端製造業的發展。 楊振寧的最後一戰:阻止中國為耗資相當於三峽大壩的超大對撞機買單 下面是騰訊新聞精選知乎答主"子乾「的回答: 這篇文章趣味橫生,深入淺出,洋洋灑灑兩萬多字,讓人大呼過癮,欲罷不能。
  • 「超弦理論」講了個啥?通俗版! 獨家首發!
    如果有人經常觀看 央視的科普紀錄片,那麼一個既熟悉又陌生的東亞面孔講解員會格外引人注目,他就是加來道雄(日本人)——弦理論的重要創始人之一。為了簡化,我們在這裡不區分弦理論和超弦理論。加來道雄弦理論是現代物理學的一個分支,它的許多推論不僅讓常人難以理解,有時專業人士也會感到疑惑!如果你非要讓筆者解讀弦理論的深奧之處,你或許會失望了!
  • 超弦理論:顛覆一切的超級理論
    這便是超弦理論早期的原型。小提琴的琴弦振動頻率是十分之快,每秒達到幾百次,人的肉眼都無法識別範圍,但是對比起超弦理論中的弦可是非常之慢了。理論中,超弦理論的弦的振動頻率可以達到10^42 次/秒。這個數字並不是亂寫的,這是因為弦的振動速度之快,達到了自然界中的最快速度:光速。
  • 超弦理論的最科學解讀
    「物理的終極理論」,它是由單一個理論來解釋所有物質與能源的本質與交互關係。其結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。超弦理論將人類認知的維度變成了十維空間加一維時間即十一維時空。超弦理論暗示的平行宇宙時空必須擁有十個維度,時空中存在超對稱現象。
  • 高維空間可能真的存在,科學家發現了一些高維空間的疑似證據
    在此之後提出的「M理論」,又增加了一個新的維度,這個維度將「超弦理論」中除了時間以外的所有維度都包含其中。該理論認為,我們所處的宇宙空間在這個新提出的維度裡,只是眾多「宇宙膜」中的一員,也就是說在我們所處的三維空間之外,還有很多其他的三維空間,而且在一般情況下,這些空間是不會互相影響的。
  • 從「弦理論」到「超弦理論」再到「M理論」,真是傻傻分不清楚
    相信不少人會很費解,提及弦理論時會聽到各種不同的名稱:弦理論、超弦理論、M理論等等,它們之間到底有什麼區別呢?其實,弦理論的發展分為好幾個階段,每個階段的名稱也是有所變化的。玻色子弦理論以弦這個概念為基礎的第一個弦理論,準確的叫法是「玻色子弦理論」。玻色子弦理論是最早的弦理論版本,但由於存在一些根本性的錯誤,所以很快就被扔到角落了。
  • 讀懂「超弦理論」,探秘宇宙真相!
    其結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。超弦理論的誕生19世紀末物理學界誕生了兩大重要理論,一是愛因斯坦提出的相對論,二是量子力學的建立。兩者在各自領域對解說很多物理問題方面取得了很好的成效。量子力學描述的是微觀世界的現象和規律,在量子力學中的萬有引力小到完全可以忽略。
  • 多維空間理論,燃爆你大腦的宇宙起源理論
    超弦理論超弦理論認為,不存在粒子,只有弦在空間運動,各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。自然界中所發生的一切相互作用,所有的物質和能量,都可以用弦的分裂和結合來解釋。最為奇特的是,弦並不是在平常的三維空間運動,而是在我們無法想像的高維空間運動。我們過去關於空間的觀念都是錯誤的,空間正在以一種陌生得令人驚訝的方式活動著。
  • 弦理論:空間有11維度?三維之上真的存在高維嗎?
    但是這個理論真的是太超前了,儘管有些數百篇論文的撐腰,但是弦理論至今還沒有被實驗證明,是處於純理論階段。相比物理學中高維度的複雜與晦澀,科幻作家筆下的高維空間好像更容易讓人理解並接受。教科書下的弦理論一大堆的公式與微觀粒子預測實在讓普通人望而卻步,引力子,磁單極子的導出更是讓普通人絕望。