物理學存在萬物之理嗎?除了弦理論,還有一個圈量子引力理論候選

2020-12-05 天文同好樂園

先請大家思考一個問題。如果現時通過對宇宙的觀測得到的數據是可信的,那麼由此會得出一個結論,宇宙中物質和能量的佔比為:暗能量佔68%,暗物質佔27%,可見物質佔5%。這樣看來,目前的人類無論怎麼吹噓科技的發達,我們所能看到的、所能知道、了解的一切,僅僅被涵蓋在這個5%的範圍之內。換句話說,當今人類科技發展所依賴的兩大物理學支柱理論廣義相對論與量子力學,只能描述和解釋宇宙中5%的物理現象,而宇宙中另外的95%,當代物理學是無法理解的,這也說明了當代物理學遠未完善。

質量彎曲時空概念圖

應該說,在宏大宇宙的尺度上,廣義相對論是成功的。它擅長將傳統的牛頓引力概念模型化,在理論中引力不再被看作是一種「力」,而是具有質量的物體造成時間的扭曲表象。而在極微小的宇宙尺度上,量子力學也是成功的,它認為構成宇宙萬事萬物的是最基本的粒子,量子粒子是實體的微小擾動,具有波動特性。科學家得到了電磁力、強核力和弱核力的量子理論,但卻沒有引力的量子理論。物理學家嘗試將兩個理論融合在一起,得到一個能夠通用的理論框架,但遺憾的是困難重重,無論怎麼努力都不能成功。

粒子概念圖

正因為如此,人們才渴望出現一個「萬物之理」,它可以用最簡潔、最基本的方式描述宇宙中的萬事萬物,即使宇宙宏大至無限,或者反過來在無限小的尺度上,萬物之理都能成立。近幾十年,弦理論可以算是最流行的、最具有爭議的萬物之理的候選理論,它需要宇宙的時空維數達到十維或者十一維,甚至更多。儘管這個理論很美,目前研究者也不少,但這個理論還是很不完整。一是因為它的數學方法仍在尋找當中,二是它作出的任何理論預測都不能得到驗證。所以它還有很長的路要走。

高維空間中的「弦」概念圖

除了弦理論之外,近年來又一種完全不同的理論被推到了前臺。在這個理論中,空間由不可分的微小單位組成,被稱為「圈」。這個「圈」很容易讓人蒙圈,對「圈」的通俗理解是這樣的:圈的直徑就是普朗克長度——10^-35米,足夠多的圈交織在一起,就有可能衍生出所有的空間和物質。這個理論被稱為「圈量子引力理論」。圈量子引力論又名圈引力及量子幾何學,是由阿貝·阿什特卡、李·施莫林、卡洛·洛華利等人發展出來的量子引力理論,它和弦理論一起,是目前為止將引力理論量子化最成功的理論。

「圈」概念圖

圈量子引力的理論建立了數學模型,它可以直接描述宇宙大爆炸,甚至解釋爆炸前的情景。它還作出了一個預測,宇宙大爆炸是一個循環過程的一部分,即在大爆炸之前存在著另一個時空幾何的宇宙,與現在的宇宙十分相似,只是它不是在膨脹,而隨著時間逐步縮小。也就是說,宇宙其實是反覆不斷地進行膨脹和收縮,宇宙的變遷並非傳統意義上的大爆炸,實際上是一次量子躍躍。圈量子引力現在也被認為是將廣義相對論和量子物理學相統一的最有效手段。

圈量子引力理論的宇宙反彈模型

但是,它也遇到了和弦理論一樣的問題——暫時無法驗證。除非物理學家們能夠在實驗室重新製造一次宇宙大爆炸,否則,就要等到下一次宇宙大反彈才能驗證。所以目前看來,圈量子引力理論還只能算是人類在尋找萬物之理的過程中,邁出的試探性一步。也許這些想法或觀點能夠給未來的物理學家們以啟發,並最終尋找到真正的萬物之理,解釋宇宙中的萬事萬物,並作出可以驗證的預測。

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    萬物理論的關鍵在於它必須將如此多不同的理論調和成一個。 具體來講,我們清楚地了解物質是如何作用以及由什麼構成,這就是粒子物理學標準模型。我們也有萬有引力理論,它將宇宙解釋成幾何結構,其彎曲以創造引力效應。這兩種理論很大程度上是不相容的。
  • 他比朗道更聰明,研究量子引力早於愛因斯坦,三十歲死於政治鬥爭
    你一定聽說過,當代理論物理學的前沿就是尋找一個能描述宇宙、解釋宇宙中一切謎團的「萬物之理」。如果用物理學的語言來簡單解釋,「萬物之理」就是對時間、空間以及宇宙中所有物質和力最深入、最簡潔的數學描述。我們的宇宙就猶如一個洋蔥,而要理解宇宙、解釋宇宙中的所有謎團,就需要將這個洋蔥一層一層剝開,弄清這個洋蔥最內部的最小尺度空間、時間、物質粒子和最基本的力。可能有的朋友要說了,假如宇宙這個「洋蔥」有無窮多層怎麼辦?也許萬物之理根本就不存在呢?這個問題其實不必討論,因為在物理學上,「無窮」是一個毫無意義的概念,任何涉及到「無窮」的理論,必定會被物理學家拋棄。
  • 掌控最深層次的真相,萬物之理可以解釋宇宙中所有的謎團
    我們人類還有太多的事沒有答案,我們對宇宙中到處都是的東西也就是暗物質,以及超強的能量也就是暗能量,幾乎是一無所知,我們的控制力只存在於宇宙中的一個小小的角落,被浩瀚而無知的大海環繞著,我們要面對這個事實,我們理解周圍世界卻對宇宙一無所知,我們連發現終極理論也就是「萬物之理」還有多遠,有沒有這樣的理論存在呢?它是不是可以解釋宇宙中所有的謎團呢?
  • 我們真的需要一個萬物理論嗎?
    首先我們需要了解一下物理學家所說的萬物理論是什麼意思?就我們目前所知,宇宙中存在四種基本的相互作用力。分別是電磁力、強核力、弱核力、引力。所有我們熟悉的力,都來自於這四種基本的相互作用。現在,我們已經統一了其中的三種,電磁力,強核力和弱核力。描述它們的理論被稱為粒子物理學的標準模型。
  • 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?
    需要把一個理論建立的前因後果解釋清楚,需要把物理學的發展歷程作一個系統的論述,這將牽扯到物理學的方方面面。例如,解析超對稱就必然涉及量子力學的自旋和經典電動力學的偏振問題,這是對同一現象的不同描述。我們生活在同一個宇宙,但是卻存在經典物理學、相對論、量子力學和弦理論四種互不相融、觀點尖銳對立的理論,每一個理論都是一個完整的思想體系,這是四套完全不同的理論思想體系,它們唯一的共同點是解析我們身處的這個宇宙的運作原理。我們知道,真相只有一個,真理只有一套,我們只需要一套邏輯一致的、可以自洽地解釋宇宙的所有問題的理論,即終極理論。
  • 什麼是弦理論?
    如今,粒子物理學的標準模型確定了構成世界的12個基本結構單元:6種夸克(上、下、粲、奇、底和頂夸克)和6種輕子(電子、μ介子、τ介子和三種中微子)。此外,標準模型還定義了宇宙的四種基本力:萬有引力、電磁力、弱相互作用力、強相互作用力。到目前為止,物理學家已經能夠使用標準模型來精確地描述每一種力和作為其載體的粒子,其中有一個例外:引力。
  • 圈量子引力理論預言的空間像原子一樣
    假如我們能在足夠小的尺度上進行探測,那麼會看到空間的「原子」嗎?這裡的「原子」即指空間存在無法被進一步分解的單元。同樣,對於時間:自然是連續變化的嗎?或者說世界是否像計算機那樣,通過一系列極小的步驟運轉?
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    下面回歸正題: 前段時間,環球科學發了一篇文章:萬物源於量子比特?| 數學物理界「教皇」關於量子理論的深思(點擊藍字部分能直接閱讀詳情)。裡面提到弦理論大師愛德華威滕(Edward Witten),再重新研究惠勒的物理學思想。
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    然而,以荷蘭奈梅亨拉德堡德大學物理學家為首的國際合作現在已經提供了令人信服的證據,證明弦理論並不是唯一能夠形成這一聯繫的理論。他們證明,在沒有弦的情況下,有可能構建一個服從所有物理學基本定律的量子引力理論。
  • 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。
  • 圈量子引力理論的起源——惠勒-德維特方程
    不誇張地說,在21世紀,理論物理學家的終極目標就是找到一個能夠融合廣義相對論和量子力學的新理論,或者叫量子引力理論。事實上,這項工作起始於上世紀三四十年代,但至今進展緩慢。很多觀念得以澄清,一些技巧和一些一般性的概念也得以鞏固,並且,一些成果也逐漸顯露了出來,比如說超弦理論、M理論和圈量子引力理論等。如果要將為量子引力理論做出貢獻的物理學家的名字全部列出來,那將是一份非常長的名單,如果一定要從中挑出一位為之做出最大貢獻的科學家,那麼這個人一定是約翰·惠勒——一位橫跨20世紀物理學的傳奇人物。
  • 跳出弦理論的陷阱,曾經的弦理論家揭露弦理論圈內真相
    如果將1968年發現「韋內齊亞諾模型」算作是弦理論的開端的話,那麼到今天,弦理論的發展已經走過了半個多世紀了。但在21世紀的今天,仍然有相當數量的年輕科學家們走進弦理論的領域,甚至可以說弦理論在當今的物理學上已成為了主角,尤其是在量子引力領域。
  • 為什麼認為弦理論是終極大統一理論?
    由愛因斯坦的引力理論,以及由量子物理學支配的其他事物(強、弱和電磁的相互作用)是支配我們宇宙萬物的兩個獨立的規則。圖片:SLAC國家加速器實驗室在三維空間中工作是非常困難的,當物理問題具有挑戰性時,通常會首先嘗試解決一個更簡單的問題。
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    可是量子力學又與廣義相對論是矛盾的,那難道是我們宇宙中有兩套物理法則嗎?那這樣的矛盾呢讓物理學家非常難受,所以物理學家相信一定存在著一种放之四海而皆準的理論,可以把這兩種模型結合起來,同時適用於微觀世界和宏觀世界,那這個時候量子引力就橫空出世了,量子引力就是一種量子力學,結合廣義相對論來解釋引力的一種理論,其中有一個概念就叫做引力子,引力子呢是一個假設的基本粒子,負責向其他的粒子傳遞微觀粒子之間的作用力一樣
  • 一文看懂:重力、引力、引力子、弦理論、圈量子引力論之間的關係
    那這樣的矛盾呢讓物理學家非常難受,所以物理學家相信一定存在著一种放之四海而皆準的理論,可以把這兩種模型結合起來,同時適用於微觀世界和宏觀世界,那這個時候量子引力就橫空出世了,量子引力就是一種量子力學,結合廣義相對論來解釋引力的一種理論,其中有一個概念就叫做引力子,引力子呢是一個假設的基本粒子,負責向其他的粒子傳遞微觀粒子之間的作用力一樣,引力子權力宏觀物質之間的引力,如果引力子真的存在,它不會有質量或者電荷
  • 量子理論詳細解析:為什麼宇宙萬物皆是獨一無二的存在?
    宇宙萬物,乍一看,仿佛彼此獨立,各不相同。即使同一種事物,在形態、顏色、大小、屬性等方面,也存在著或多或少的差別。正因為宇宙萬物各有各的「個性」,才能被我們輕而易舉地區分開來。德國哲學家萊布尼茨曾言: 「世界上沒有兩片相同的樹葉」,或正是對此理的闡釋。或許,會有人不假思索地反問道:難道孿生兄弟姐妹也不相同嗎?
  • 「萬物理論」是什麼?這個宇宙的終極答案
    歷史告訴我們,對終極真相的每一次追問都有所收穫,只不過收穫到的並非如我們預期。包括霍金在內的幾代物理學家已經為之傾盡畢生心血,可我們甚至都不知道這樣一個理論是否存在。(文/MacGregor Campbell,編譯/kingmagic)超引力、大統一場論、終極理論、萬物至理,物理學家用各種名稱來稱呼他們歸自然萬象於一統的嘗試。