弦理論中,弦為什麼必須振動呢?它為什麼振動?

2020-11-23 天天科學社

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。

弦理論的前世今生

自牛頓開創現代科學以來,以物理學為代表,科學界的最高教義是統一。現代物理發展到今天,我們通常認為宇宙存在四種最基本的力,電磁力、弱力、強力、引力。

高能物理派橫空出世,花費幾十年功夫,由楊振寧為代表,搞出來一個標準粒子模型,把電磁力、弱力、強力統一到一起,使得物質是什麼有了一個根本的解釋,雖然一幫子人拿諾獎拿到手軟,但是引力始終橫亙在中間,難以形成大家理想中的大統一。天才的費曼曾經這樣評價:「我們確實知道它是有點兒錯的,或者至少是不完整的」。

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。這種弦非常微小——小得可以被看成是電粒子。超弦理論使科學家能把量子定律和引力定律相對比較融洽地合在一起。

簡單的說,弦理論引入了額外的維度(11維);將最小單位的粒子都作為能弦。在絕對零度以上,基本粒子當然會振動,那麼由基本粒子引申的弦,當然也是在振動的。

物理理論的形象化理解範疇

人類的科學發展到今天,特別是物理學引領的科技革命,取得了巨大的成就。但是副作用也很明顯,就是在現代的物理理論方面,幾乎整個知識領域和人類的口語語音脫節。描述科學理論的語言,逐步由數學符號獨佔。

絕大多數人,認識這個世界,靠的是直接的感官認知,以及客觀經驗的積累。弦理論,從根本上,它就不是可以憑藉客觀經驗,或從現實生活中,直接獲知的理論。它大部分是抽象的數學構建,在數學理論中自洽。

正如海森堡這樣描述量子不確定性原理「在微觀粒子世界裡,一切都看起來是那樣地古怪不合常理,甚至有一些瘋狂的意味。我們日常的經驗在這裡完全失效,甚至常常是靠不住的。物理世界沿用了千百年的概念和習慣在量子世界裡轟然崩坍,曾經被認為是天經地義的事情必須被無情地拋棄,而代之以一些奇形怪狀的,但卻更接近真理的原則。微觀粒子世界就是這些表格構築的。它們不但能加能乘,而且還有著令人瞠目結舌的運算規則。這一切都不是臆想,是從事實——而且是唯一能被觀測和檢驗到的事實——推論出來的。」

進入到微觀世界中,其實振動、旋轉、自旋、軌道這些詞,和現實世界中大家所聽所見根本不是一回事,很多情況下,它們只具備數學上的意義。

例如電子的自旋,無他,它只是用到了虛數的表達而已。你說只有兩個方向的旋轉,也叫旋轉嗎?

結語

現代物理進入的困境其實很簡單,它已經不是一般人可以隨意湊熱鬧的玩意了。要驗證它,要突破它,都需要舉國之力,或者打破國界的合作才行。

普通群眾想吃個八卦的瓜,先得提高自身數學能力才行。什麼時候出一個如同馬斯克風格的科研機構,或許大家才能更愉快的吃瓜看驗證超弦吧。

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