霍金把希望寄托在「M理論」上,以充分解釋宇宙的存在

2020-11-22 騰訊網

　　有傳言說，阿爾伯特·愛因斯坦在生命的最後幾個小時裡，在一張紙上寫下了什麼東西，最後一次試圖闡明一切的理論。大約60年後，另一位理論物理學的傳奇人物史蒂芬·霍金也有類似的想法。霍金認為「M理論」是關於宇宙完整理論的最佳選擇，但是它到底是什麼呢？自1915年愛因斯坦提出廣義相對論以來，每一個理論物理學家都在夢想著讓我們對無限小的原子和粒子的理解與宇宙無限大的大尺度之間的理解相協調。雖然後者是由愛因斯坦的方程有效描述的，但前者被所謂的基本交互的標準模型預測得非常準確。目前的理解是物理對象之間的相互作用是由四種基本力所描述的。其中的兩個——重力和電磁——在宏觀層面上與我們息息相關，我們在日常生活中處理它們。另外兩個被稱為強和弱相互作用，作用非常小，只有在處理亞原子過程時才變得有意義。

　　史蒂芬·霍金（英國著名物理學家），圖片版權：Lwp Kommunikáció/Flickr, CC BY-SA

　　基本交互的標準模型為這三種力提供了統一的框架，但是引力不能一直包含在這幅圖中。儘管它準確地描述了行星的軌道或星系動力學等大規模現象，但廣義相對論在很短的距離內就會崩潰。根據標準模型，所有的力都是由特定的粒子介導的。對於引力，一個叫做引力子的粒子做這個工作。但當試圖計算這些引力子如何相互作用時，就會出現無意義的無窮大。一個一致的引力理論應該在任何尺度上都是有效的，並且應該考慮到基本粒子的量子性質。這將使引力與其他三種基本的相互作用形成統一的框架，從而為所有事物提供著名的理論。當然，自從愛因斯坦1955年去世以來取得了很大的進步，而現在最好的候選也被稱為m理論。

　　要理解m理論的基本思想，必須追溯到上世紀70年代，那時科學家們意識到可以用微小的振蕩弦(能量管)來描述宇宙，而不是像粒子那樣描述宇宙。這種對自然基本成分的新思維方式最終解決了許多理論問題。最重要的是，弦的一個特殊的振動可以被解釋為引力子。與標準的引力理論不同，弦理論可以用數學的方式來描述它的相互作用，而不會產生奇怪的無窮大。因此引力最終被包含在一個統一的框架中。在這個令人興奮的發現之後，理論物理學家花費了大量的精力去理解這個開創性的想法的後果。然而正如科學研究經常發生的那樣，弦論的歷史以起起伏伏為特徵。起初人們很困惑，因為它預測粒子的存在速度比光速還要快，被稱為「速子」。這一預測與所有的實驗觀測結果形成了對比，並對弦理論產生了嚴重的懷疑。

　　然而這一問題在20世紀80年代早期通過在弦理論中引入「超對稱」的方法得以解決。這預示著每一個粒子都有一個超級搭檔，而且由於一個特殊的巧合，同樣的條件實際上消除了速子，第一個成功通常被稱為「第一次弦革命」。另一個顯著的特徵是弦理論要求存在10個時空維度。目前只知道四種：深度、高度、寬度和時間。雖然這似乎是一個主要的障礙，但是已經提出了幾個解決方案，而現在它被認為是一個值得注意的特性，而不是一個問題。例如嗎可能被迫生活在一個四維的世界裡，沒有任何額外的維度。或者額外的維度可以在如此小的尺度上被「緊化」，我們不會注意到它們。然而不同的緊化會導致物理常數的不同值，從而導致不同的物理定律。一個可能的解決方法是，宇宙只是眾多「多元宇宙」中的一個，受不同物理定律的支配。

　　有其他宇宙嗎？圖片版權：Pixabay., CC BY

　　這可能看起來很奇怪，但是很多理論物理學家都在研究這個想法。如果你不相信，你可能會嘗試閱讀小說《Flatland》：這是埃德溫·阿伯特(Edwin Abbott)的許多維度的浪漫故事，其中人物被迫生活在兩個空間維度中，無法意識到有第三個維度。但當時還有一個緊迫的問題困擾著弦理論學家。一個徹底的分類顯示了五種不同的一致弦理論的存在，並且不清楚為什麼大自然會選擇五種不同的弦理論。這就是m理論進入遊戲的時候。在1995年的第二次弦革命中，物理學家們提出，5個一致的弦理論實際上只是一個獨特理論的不同面，它存在於11個時空維度中，被稱為m理論。它包含了不同物理環境中的每一個弦理論，但對它們都是有效的。這張極具吸引力的圖片使大多數理論物理學家相信m理論是萬物的理論——它在數學上也比其他候選理論更加一致。

　　儘管如此，到目前為止m理論在製造可以通過實驗測試的預測方面一直很困難。超對稱目前正在大型強子對撞機上進行測試。如果科學家確實找到了超級合作夥伴的證據，那將最終加強m理論。但是對於目前的理論物理學家來說，製造可測試的預測和實驗物理學家建立實驗來測試它們仍然是一個挑戰。大多數偉大的物理學家和宇宙學家都被一種激情所驅使，他們發現美麗的、簡單的世界描述可以解釋一切。雖然還沒到那一步，但沒有像霍金那樣敏銳、有創造力的頭腦，我們就沒有機會了。

　　知識：科學無國界，博科園-科學科普

　　作者：Lorenzo Bianchi

　　內容：經「博科園」判定符合今主流科學

　　來自：The Conversation

　　編譯：光量子

　　審校：博科園

　　解答：本文知識疑問可於評論區留言

　　傳播：博科園

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