燒腦!弦理論和M理論:一場解釋的宇宙大戰:不是10維,而是11維!

2020-11-22 騰訊網

在20世紀90年代初，弦理論處於理論發展的困境，幾十年來，理論物理學家們傾注了他們的心血，認為現實的基本組成是微小振動的弦。

這是一個潛在的革命性想法，能夠將自然界的所有力和物質的所有組成統一到一幅單一和諧的圖景中。然而，令人頭疼的是，弦理論有五個獨立的候選者，每一個看起來都與其他截然不同，哪一個可能是對的呢？

五種不同的弦理論

這五種不同的弦理論有幾個共同點：首先，它們都涉及到字符串；它們還要求宇宙總共有10個維度（通常的3個空間維度，加一個是時間維度）還有6個更微型維度，這些維度很小，在亞微觀尺度上蜷縮在自己身上。在所有理論中，弦的振動方式帶來了我們物理世界的豐富性，從自然力到物質的基本組成，再到物理常數本身。

但當談到物理理論時，細節很重要，五個相互競爭的弦模型在細節上有所不同。一些理論只有閉合的弦環，而另一些理論則允許開放、擺動的弦。一些理論只允許振動在弦上朝一個方向傳播，而另一些理論則允許兩個方向都有，有些理論是其他理論的組合。如果你感興趣，可以參考一下這五種弦理論的名字是：Type 1、Type IIA、Type IIB、SO(32)heterotic和E8xE8 heterotic。

它們顯然不可能都是對宇宙的正確描述，但哪一種是「真正的」弦理論，哪一種是假的呢？問題是弦理論是不完整的（今天仍然是），如沒有弦理論的最終方程，用物理學家描述理論的方式來描述，就像愛因斯坦引力方程或麥克斯韋方程來描述電磁學一樣。理論物理學家只有希望，但無法證明接近實際理論的近似值。因此，五種弦理論代表了五種不同的近似，無法決定哪一種是最好的。

雙重性

1995年著名理論物理學家愛德華·威騰在一年一度的弦理論會議上做了一次演講。在演講中，他提出了一個創新式的建議：也許五弦理論畢竟沒有太大的不同。事實證明，這五種理論之間存在著有趣的聯繫，稱為對偶性或對稱性。例如，關於弦，我們不知道它們交互的程度有多強。但是如果你採用，比方說，Type 1並增加它的相互作用強度，最終會得到SO(32)heterotic的較弱版本。

而且還有更多，有時弦可以用一定的動量，繞著一個微小捲曲的維度纏繞一定的次數，但它的雙重性會使纏繞的數量和動量反轉。Type IIA和Type IIB弦理論由這樣的雙重性聯繫在一起。這些雙重性表明，這五種弦理論在某種程度上都是相關的，並且正在探索更深層次的東西。更深層的東西可以通過遵循所有雙重性來猜測，通過嘗試五種弦理論上的兩個雙重性：

有時會得到其他幾種理論中的一個連結，有時會得到一個新的雙重性。那個「新地方」是什麼意思？Edward Witten建議將其稱為「M理論」，在我們真正理解它之前，「M」是可以解釋的（例如「膜」）。M理論就像一個超弦理論，展示了所有五個弦理論實際上只是一個更大、更神秘理論的一個小角落。理論物理學家過去常常認為五種弦理論是獨立的行星，理論和數學探索局限於這些行星上的小島。

M理論

但M理論顯示，所有這些島嶼實際上一直共享同一顆更大的行星。M理論的一個奇怪特徵是（我們對它知之甚少）：認為弦理論似乎只是真實情況的低能量近似，而現實需要的不是宇宙的10個維度，而是11個維度。更重要的是，現實的基本對象不再是弦，而是d-brane。「Brane」只是多維振動事物一個花哨的詞，字母「d」表示維度，從1膜(弦)到2膜(薄片)到3膜(斑點)等等，應有盡有。

在很大程度上，這些膜處於低位，大多只是像弦一樣發揮作用，第11維在宏偉的宇宙交響樂中並沒有起到太大作用。除此之外，人們對M理論知之甚少，弦理論家通常在五種通常的體系中的一個中工作，因為他們已經被很好地研究了幾十年，而額外維度和膜的引入，使得已經很兇猛的弦理論數學變得更加糟糕。儘管如此，理論家們仍在繼續探索邊緣，希望有一天能給M理論中的「M」起一個全稱。

博科園｜作者：Paul Sutter（紐約州立大學石溪分校天體物理學家）

博科園｜研究/來自：Space

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 燒腦！弦理論和M理論解釋的宇宙大戰：不是10維，而是11維！
    五種不同的弦理論這五種不同的弦理論有幾個共同點：首先，它們都涉及到字符串；它們還要求宇宙總共有10個維度（通常的3個空間維度，加一個是時間維度）還有6個更微型維度，這些維度很小，在亞微觀尺度上蜷縮在自己身上。
  • 宇宙的終極理論？弦理論以及它的11維時空
    這顯然是不合理的，因為我們存在於一個宇宙，應該有一個普遍適用的物理學規則，那麼有沒有一個理論能同時包含量子力學與廣義相對論的永恆理論呢？弦理論應運而生。玄理論，萬物的終極原理？以及其涉及的11維空間在以前，主流科學認為粒子是點，和弦一點也不搭邊。
  • 硬核宇宙知識:為什麼在「M理論」中,宇宙是11維的?
    硬核宇宙知識：為什麼在「M理論」中，宇宙是11維的？相信許多關注物理學的朋友，應該知道關於宇宙的「終極理論」，也就是由愛德華·威縢教授提出的M理論。M理論認為，宇宙中所有的物質和能量轉化，包括時間和空間的交互，都能夠用這個終極理論來解釋。
  • M理論:統一了五種超弦理論和11維超引力理論
    M理論是弦理論的延伸，而超弦理論則發展自弦理論。弦理論與傳統的基本粒子論不同之處在於不把一個基本粒子看成一個點粒子，而認為其是一根一維的弦，顯然這種思維完全顛覆了以往所有的宇宙學理論。     弦理論中著名的威尼採亞諾公式可以理解為弦與弦的散射振幅，在此基礎上建立平行宇宙擁有難以想像的開放程度。
  • 弦理論和M-弦理論
    將這兩個理論結合就可以導出時空本身也是每時每刻都在經歷著量子的起伏漲落。再根據量子效應，可以得出我們宇宙的任何位置能量無窮，這顯然不是科學的。很顯然，我們需要一個更完備的理論。    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）， 四種基本作用力「粒子」（強、弱作用力粒子，電磁力粒子，以及重力粒子），都是由一小段的不停抖動的能量弦線所構成，而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線抖動的方式和形狀的不同而已。
  • 人類在4維空間,上帝已被超弦理論證實,宇宙11維是怎樣的存在?
    2維是一個平面，是由長度和寬度(或部分曲線)組成的平面。3維是無數2維平面在一起堆加就構成了三維空間，也就是立體的空間。4維分為時間上和空間上的4維。（4維準確來說有兩種：A.4維時空，是指3維空間加1維時間。B.4維空間，只指四個維度的空間。）
  • 揭開弦理論的真面目:弦理論是解釋宇宙所有問題的終極理論嗎?
    真相是，四種理論是對同一事物——量子的不同解釋，雖然構建的時間有先後順序，但是這四種理論卻是平行的，而不是線性進步的。事實上，經典電動力學是一種認為量子是波的量子力學，人們所說的量子力學是一種認為量子是具有波粒二象性的粒子物理學，而弦理論是一種認為量子是弦的量子力學。請注意，弦理論是另一種獨立的量子力學。現在的問題是，波粒二象性已經過時了，現在的量子不是波粒二象性，而是具有波粒弦三象性。
  • 為什麼科學家說,宇宙是11維空間?「11」這個數字是怎麼來的?
    為什麼科學家說，宇宙是11維空間？「11」這個數字是怎麼來的？相信但凡是對宇宙感興趣，了解一些物理學知識的朋友，應該都對宇宙的空間維度有所了解。目前根據科學家的說法，宇宙是一個11維的空間。但是為什麼科學家會說宇宙是11維的呢？
  • 宇宙終極理論，卻在「引力」上卡殼：破解它就能與高維生命交流
    這兩種理論都有一個共同的目標，嘗試著去構建「宇宙大一統理論模型」（也被稱為宇宙終極理論）。這兩個理論，雖然目前都能在一定程度上解釋宇宙中的物理現象！但是它們中可能只有一個是對的，又或者都是錯的。又可能出現一個全新的理論，把兩者容納進入！
  • 弦理論的十一維空間
    實際上這可以追溯到愛因斯坦的幾何物理理論，因為他的廣義相對論方程從幾何角度解釋了引力，是時空的幾何變形（時空彎曲是引力導致的），他相信自然界的力都應該具有幾何的起源，因此應該在一個方程中得到統一。但是在空間維度這方面取得驚人成功的不是愛因斯坦，而是卡魯扎。
  • 終於知道為什麼宇宙是11維的了,11竟然是這麼來的……
    針對這個問題，美國羅格斯大學的一個科學家洛夫萊斯提出了一個令人震驚的解決方案：他說當你把問題放在三維空間的時候會發生這種問題，但是，如果你把這個理論放到一個特殊的維度裡，計算的概率值就會完美的處於0到1之間。通過驗證，他們算出這個維度不是4維5維或者10維，而是25維。
  • 弦理論的十一維空間,高於11的維度都會給出非物理結果
    但是在空間維度這方面取得驚人成功的不是愛因斯坦，而是卡魯扎 1919年一個無名的波蘭數學家，來自柯尼斯堡大學的卡魯扎卻敢向顯然的事實挑戰，他提出宇宙也許不止有三個空間維度，而是有更多，當時聽起來就是傻話，但是這傻話卻動搖了物理學的基礎。
  • 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。
  • 弦理論中的「弦」並不是主角?「膜」才是主角?原因何在?
    比如說，有5個不同版本的10維超弦理論，而它們其實都是包含在11維M理論之中，如果從11維M理論中「切」下一片「膜」並將其中1個維度捲起，就變成了一種10維超弦理論（即Type II a 弦理論）。1994年，物理學界爆出了一個驚天大新聞，物理學家愛德華·威騰和保羅·湯德森從數學上發現，存在一個源頭不為人知的11個維度的理論，而5種10個維度的超弦理論實際上是這個更高次元的神秘理論的近似理論，後來更證明了，這5種超弦理論並非近似理論，而是這個11維理論的子理論。
  • 現代版「盲人摸象」:M理論是「大象」,包含5種不同的弦理論
    發展到20年之後的上世紀80年代末，物理學家們發現，弦理論儘管向人們提供了一幅獨特的宇宙圖景，但是還不夠完美，問題主要出在兩個方面：其一，數學方程作為構建弦理論的骨架，但方程的解卻讓弦理論家們頭疼。比如說，有些方程只有一個唯一的解，如2X=10，那麼X必定等於5，不可能還有其他的解。但假如0乘以X等於0，則X有無窮多個解，因為X可以是任何數。
  • 弦理論
    弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明宇宙裡所有微觀粒子如電子、質子及夸克都由這一維的「能量線」所組成。較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成，也是目前廣為接受的物理模型，也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題，但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來，弦理論的基礎是波動模型，因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。
  • 從5維到26維的飛躍——一個無名小卒是如何使弦理論成為可能的?
    作為一個與同事關係不是特別親密的獨來獨往者，當他將自己全部150萬美元的財富遺贈給同事時，物理和天文系的成員們都感到震驚和欣喜。這些資金被用來幫助在物理學的實際領域中確立自己的位置。他還將自己收藏的4000多張古典音樂CD捐給了羅格斯大學藝術學院，並將自己的遺體捐給了醫學院。
  • 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」。
  • 平行宇宙,多維度空間,怎麼用「弦理論」去解釋呢?
    說到弦理論，我們經常聽到關於高維空間的概念，什麼9維空間、10維空間，甚至早期的還有25維的。關於高維度空間的科普，網上多如牛毛，但應該很少有講到這些維度究竟是怎麼來的。所以今天，我們就來說點不一樣了。
  • 弦理論裡超過四維的高維空間是什麼樣子的?
    弦理論、超弦理論、M理論一般都被人統稱為弦理論，因為它們的基礎都是一樣的，就是弦。弦理論算出來有26個維度，超弦理論算出來有10個維度，M理論算出來11個維度。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。