弦理論已死?一個包羅萬象理論,奏出物質之音

2020-12-05 樹上長的宇宙果

所有人心裡都明白,即使歷史上誕生了多種科學成就,但遠方的海平面裡也存在著暗礁。對於物理學更是如此,就連偉大的愛因斯坦也不曾誇下海口,僅憑相對論就可以解釋世間萬物。

現代物理學背靠的是兩大支柱:一個是愛因斯坦的相對論,它為大尺度宇宙(如恆星、星雲、星系甚至黑洞)提供了理論框架;另一個是量子力學,在這個框架下可以認識到小尺度宇宙(原子、分子甚至更小的電子夸克)。沒錯,我們在日常說的宇宙只是大尺度宇宙,更小的粒子也是宇宙,雖被稱為小尺度,但這一世界的宏大可以超出你的想像。

我們必須認清一個事實,廣義相對論和量子力學都不可能絕對正確。即使在過去的百年裡,我們依靠它們取得了巨大的進步——解釋了宇宙膨脹,亦或認識了物質的基本結構。然而作為這些進步的兩個基礎理論,卻是水火不容的。解釋一下它們為何水火不容,因為它們很極端。簡單來說,物理學家研究的東西要麼是小且輕的(如原子電子),要麼是大且重的(如恆星和星系),幾乎沒有兼具兩樣性質的。所以對於某一樣事物,只需運用量子力學或廣義相對論其中任何一種就夠了,這也是它們兩個理論相互對抗的原因。

極端情形也是存在的,比如宇宙大爆炸。宇宙最初是一個奇點,這個奇點經過了爆炸後膨脹才形成了如今的宇宙;比如黑洞,黑洞由某些大質量的恆星坍塌成一個點,這個點會將周圍所有東西都拉過來,甚至光都無法逃脫。這些就是「小且重」的領域,體積很小,質量卻大得嚇人。在此不禁讓人感慨,這兩個理論的對抗,也只有在更深層次上才會平息下來。可話又說回來,就真的沒有一種理論可以解釋所謂的未知、可以概況整個宇宙嗎?

弦理論告訴我們,不是那樣的。與量子力學和廣義相對論這兩座巨人相比,弦理論只不過是初生的嬰兒。但在弦理論的框架下,廣義相對論和量子力學需要相互需要才能使理論更有意義。弦理論告訴我們,「大」與「小」定律的結合是註定了的。

弦理論究竟是什麼呢?我們知道一顆原子中會存在原子核、電子、質子等粒子,這些更小的粒子就是一切物質的基本單元。但在弦理論中,我們用更精細的數量級精度來考察這些粒子的話,它們就不再是點狀的粒子,而是一堆小環,每一個更小的粒子都是一根無限小的線,一根震蕩、跳動的線,我們把它叫做弦。弦理論認為,我們觀測到的粒子不過是弦不同震動方式的映射。

弦理論的弦

我們知道琴弦都有共振頻率,琴弦的不同振動頻率傳到耳朵裡就是不同的聲調——弦理論也是如此。只不過我們不會聽到美妙的聲音,而是會出現一個粒子,粒子的質量和形式由弦的振動模式決定。它可能在一種振動模式下是電子,換一種振動模式就成為夸克了。

在弦理論模式的大旗下,我們可以將其運用到微觀世界、也可以帶到宇宙空間,反正世間萬物都由一根根弦組成。它甚至被稱為「大一統理論」,天地萬物乃至一切的物質都被統一——這就是弦奏響的「音樂」。

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  • 弦理論
    物質放大呈現不同階段,終結於弦階段:①物質②分子結構(原子)③原子(質子、中子、電子)④電子⑤夸克⑥弦發展歷史弦理論的雛形是在1968年由維內奇諾(Gabriele Veneziano)發明。不久後李奧納特·薩斯坎德發現,這函數可理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」,這在日後則發展成「弦理論」。目前弦論學家普遍認為強子散射振幅公式是弦論的開端,此一公式即來自於Γ函數與B函數,描述兩個強子一開始是兩條弦,然後融合成一條,再分裂出兩條。在這些弦掃過的區域稱為世界面,可以用量子力學算這整個過程的概率振幅。
  • 弦理論和M-弦理論
    為此,科學家提出了弦理論,不久經過兩次變革,衍生出了如今的M-理論。    為什麼會誕生弦理論?過去兩個世紀的科學家都致力於研究大爆炸之前的宇宙,目前,暴脹場讓我們知道了大爆炸之前的「宇宙黑暗世紀」的模樣,但再追溯到那個「點」,我們就沒有再科學的理論來支持了。於是我們決定到黑洞裡去尋找答案(因為黑洞奇點和我們稱為宇宙開端的極為相似)。
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    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。
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    在這裡我們要記住一個前提,弦是真正最基本的東西,是曾經人們心目中的「原子」,也是再不可分的基原。在這一理論下,弦就是構成這個世間萬物的最基礎單元。從現在來看,弦是原子的構成單位,如果今後出現了什麼東西可以構成弦,那它就可以取代弦目前的位置,成為最基本的單元。
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    就算站在亞原子的尺度,弦還是太小了,用量子加速器把弦的物質能量提高到以前的1000億倍,才能揭示它們是弦而不是粒子。在這裡我們要記住一個前提,弦是真正最基本的東西,是曾經人們心目中的「原子」,也是再不可分的基原。在這一理論下,弦就是構成這個世間萬物的最基礎單元。從現在來看,弦是原子的構成單位,如果今後出現了什麼東西可以構成弦,那它就可以取代弦目前的位置,成為最基本的單元。
  • 平行宇宙:多世界理論?弦理論?
    由亞原子物理產生出的理論分支仍然只是理論。這讓物理學的衍生方式大致與心理學相似。每一個理論既受追隨又受批評,類似於卡爾榮格、阿爾伯特艾利斯和西格蒙德弗洛伊德提出的心理結構理論。自科學發展以來,物理學家開始逆向分析宇宙:研究各種觀測現象,將思路向更微觀的物理世界拓展。通過這種方式,物理學家正在一步步接近宇宙最終的、最基礎的層面。
  • 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。
  • 弦理論是否能解釋宇宙的本源?
    為了回答這個問題,人類想出許多模型來描述世界。我們不斷驗證這些模型並學會揚棄。但隨著我們知道的越多,模型就變得越複雜,越怪誕。有些甚至困難到難以用精確的方式去描述它。比如弦理論。一個著名的,充滿爭議的並且常常被誤解的理論。為什麼我們會想出這套模型,它是正確的嗎?還是只是一個不值得重視的想法。
  • 顛覆科學認知的弦理論到底是什麼?它又是如何推導出多維空間的
    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——弦理論的重要創始人之一。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!
  • String Theory 弦理論
    弦理論,是理論物理的一個分支學科,弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的「弦」(包括有端點的「開弦」和圈狀的「閉弦」或閉合弦)。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」。
  • 神秘的暗物質,未解之謎,那就用弦理論掀開它的面紗吧!
    弦理論由於引入了「膜」的概念,把原來的超弦理論的9維又加了1維,從而變成了10維,得到的結果不僅把五個版本的弦理論統一了,還解決了之前那個超引力理論存在的手徵性問題。於是一套融合了各家理論的一個超級理論就誕生了,就是M理論。
  • 弦理論到底在說啥?
    因為一根開放的弦在演化運動的過程中,一定可以在某個地方結成一個圈。這就告訴我們一個很簡單的道理,弦理論由開弦和閉弦構成,並且有開弦一定有閉弦,有閉弦不一定有開弦。一個圓圈再怎麼扭,再怎麼重新粘貼,它還是一個圈。所以弦理論有兩種,一種是只有閉弦的弦理論,一種是既有開弦又有閉弦的弦理論。
  • M理論能把各種弦理論結合在一起嗎?
    在弦理論中,微小的弦取代了傳統的亞原子粒子。(圖片:©米歇爾·泰勒 | 示意圖)保羅·M·薩特是俄亥俄州立大學的天體物理學家、《向太空人和太空電臺提問》的主持人、《你在宇宙中的位置》的作者。薩特將這篇文章貢獻給了Space.com特約的專家之聲:觀點與見解。
  • 弦理論可能被驗證嗎?我們又該如何看待對弦理論的批評?
    諾貝爾獎得主、夸克模型奠基人穆雷·蓋爾曼很同情那些弦理論家,因此在加州理工學院設立了一個「瀕危弦理論家保護區」,從而使得像約翰·施瓦茨這樣的科學家不至於失業。當今對弦理論最主要的一種批評之聲是——無從驗證,批評家聲稱,需要一個銀河系那麼大的核粒子加速器才能驗證該理論。