最可能成為「統一物理學」的弦理論,其中弦的基本原理是什麼?

2020-12-03 樹上長的宇宙果

我覺得我們今天正在構造一個比以往任何東西都要深刻的理論——弦理論學家。

每當我們在通往尋找宇宙終極理論的路上,總是會發現我們學到的不過只是茫茫大海中的第一步。這告訴我們每次自以為了解大自然的一切時,它還總藏著一些驚奇用來帶給我們否定自己的震撼。儘管目前弦理論被稱為可能上的「大一統」理論,但它現在的地位還是很低。不過也沒有什麼關係,就像文章開頭的那一句話,至少弦理論學家信心滿滿,這就足夠了。

弦理論之前

廣義相對論和量子力學之間的水火不容。

簡單講一下,現代物理學最具代表性的還是兩大理論,它們分別是廣義相對論和量子力學。廣義相對論是用於廣袤的宏觀宇宙層次的理論,如解釋恆星、行星甚至黑洞等各類天體。量子力學解釋的都是我們看不到的微觀世界,如分子和原子。

這兩種理論一直都不互通,從沒有聽說過可以用廣義相對論解釋一顆原子,或是運用量子力學分析了一顆星球。就這樣,物理學界一直都沒有一個可以直接解釋萬物的理論,也可以說我們還沒有發現這種理論。

弦理論是什麼?

通過這個理論,我們可以認為弦理論中的弦就是世界上最小的構成單位。

與這兩大理論都不同,在弦理論下,組成這個世界的最基本物質不再是那些粒子,而是比粒子更小的東西——弦。至於弦名稱的由來,我們可以想像一下它就類似小提琴中的琴弦,只不過小提琴的琴弦振動只會發出聲音。而弦理論的弦振動起來,就會變成我們所見到的世間萬物。

最小單位的不同組合方式,將決定會產生怎樣的物質。

這其實是一個比較複雜的構想,因為弦是最小的單位,所以想要解釋清很麻煩。舉個例子,成百上千個不同方式振動的弦才可能是一顆氧原子。弦再換一種振動方式,可能就是一顆氫原子了。這樣看來,即使是大到太陽那樣的天體,也都只是弦的不同振動方式構成的。我們稱弦理論可以解釋萬物,仿佛也說得過去。

弦的基本原理又是什麼?

愛因斯坦花費了大量時間證明了,相對論的基礎,就是常速運動的觀測者之間的對稱性,而將這些聯繫在一起的就是引力。從這一觀點看,宇宙的規律認為所有觀測者的觀點都是平等的,還沒有什麼物體在不通過引力就可以存在——也就是所有物質都需要遵循等效原理,或者我們可以說它要保證對稱性。

弦理論可以讓我們走進更深的謎底,因為弦理論講的就是一切都是從它的結構中湧現的。在弦理論的背景下,這些對稱都是結果,雖然它們的重要性是肯定的,但總歸是一個更偉大理論中的一部分。

以上解釋了這麼多,表達的其實都是一個意思,弦理論中的弦就是最基本的。但就算是偉大的愛因斯坦,他的相對論也經歷過一次次的批評,才到了如今的地位。現在的弦理論有點像當時迷茫中的愛因斯坦,還沒有辦法將所有的特徵都納入這個統一的理論體系。不過誰也不能保證沒有這樣一個基本原理,眼見著不可能轉變為可能,這可太令人感到有趣了

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  • 弦理論是什麼?宇宙只是投影影像?
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    不知道大家有沒有這種感覺,網上的有些科普只要一講到理論物理方面,甚至只要扯到相對論,大家就會各種高談闊論,各抒己見。反而講到經典物理,別說討論了,大家可能連看都懶得看。這是為啥呢?我個人的看法是:他們可能是覺得這些物理學家們的解釋也是來源於想像,那他們也是想像,他們覺得他們想的比物理學還靠譜些。
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    這些弦非常小,大約只有原子核的一萬億億分之一,即使用上世界上最清晰的顯微鏡我們也發現不了它們的蹤跡。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。這樣解釋也還是太模糊了,屏幕前的你可能也很納悶——弦到底是什麼呢?
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    通俗來講,在這個理論之下,這個世界最基本的構成單位不再是原子和分子,而是更小的「弦」。它們就像一根根橡皮筋,用震蕩的方式感染這個世界,每個粒子都是單獨的一根震蕩著的小線圈。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。
  • 弦理論誕生可以統一宇宙嗎(上)
    我們對於天空的認識最重要的發展之一就是這樣一個現實:為了研究我們所知的最大尺度的事物——宇宙——我們不得不研究我們所知的最小的事物——構成物質的基本粒子。這些理論的最基本觀點就是:夸克由叫作「弦」的極小實體構成。顧名思義,你可以把它們想像成小提琴或吉他的弦,而不同的夸克對應不同的琴弦的振動模式。有許多弦論的不同版本,但是為了我們的研究目的,我們可以專注於使之尤其有趣的一對特性:●它們結合了引力和其他基本力,因此可以描述大爆炸的最早階段。●它們在數學上很複雜,通常涉及10或11個維度的弦振動。
  • 為什麼會有弦理論
    我這裡所說的「弦理論」,並不是單指早期的「玻色弦理論」,或「超弦理論」,而是包含「M理論」在內的所有弦理論,可以說是廣義上的弦理論,另外因為這個理論不像,相對論和量子力學那樣成熟,它相對來說比較前沿,為什麼會出現這個弦理論,在一向重視實驗的物理學中。
  • 弦理論是否能解釋宇宙的本源?
    對大多數的物體來說這都不是問題,但基本粒子微小至極,它小到我們所了解的電磁波根本碰不到,可見光只會穿透它們。我們可以借縮小電磁波波長來解決問題,但波長越小,意味著能量越大。所以,當我破門用一道高能量的光去照射粒子,光會改變粒子的位置,為了觀測它,我們改變了它的性質。結論是,我們無法精確地測量基本粒子。這個現象被命名為:海森堡測不準原理。它是一切量子物理學的基礎。所以,粒子看起來是什麼樣子?
  • 我試圖不用公式說明什麼是弦理論
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  • 物理學前沿之弦理論
    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。
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    告訴你一個真實的弦理論作者:李春生丨#一隻大象x西風歪馬#引言:一個小寓言大山裡的一個家庭最值錢的財產是家裡養的一隻動物。這隻動物是什麼呢?家庭成員們卻有不同看法。所以即使我們用最靈敏的儀器來檢查,它們看起來也像點一樣……弦是真正基本的東西---是「原子」,是古希臘人本來的意義上,也就是不可分的基元……弦就是弦,沒有比它更基本的東西,所以不能把它描寫成有別的任何物質組成的東西……共振是那些峰谷正好在弦的兩個端點間張開的波動模式……弦理論中的弦也有類似性質,在這裡,弦可能產生的共振模式是在它的空間範圍內恰當展開的峰和谷