弦理論中的「弦」並不是主角?「膜」才是主角?原因何在?

2020-12-04 天文同好樂園

在今天的物理學界,已經有物理學家認為「弦理論」的名字本身是個錯誤。事實上,著名弦理論物理學家麥可·達夫曾詼諧地說,「弦理論」指的是「以前曾被當作弦的理論」。如今,弦理論已不僅僅是關於只在一個空間方向上延伸的「弦」的理論,還包含了在二維、三維、四維,直至更多維度上延伸的「膜」。現在的超弦理論認為,「膜」可以延伸至該理論所包含的任何數量維度,它已經超越了弦理論中的「弦」,成為超弦理論的一個最重要的組成部分。

研究弦理論的理論物理學家們早先忽略了「膜」的重要性,他們在研究弦的時候,發現「弦」的相互作用強度很低,而「膜」的相互作用就更不重要了。然而到了上世紀90年代之後,「膜」以多種方法解決了弦理論中的一些令人迷惑的問題,「膜」幫助物理學家理解了弦理論裡一些不可能起源於「弦」的神秘粒子的來源。當物理學家們將「膜」考慮進去後,他們發現了「對偶理論」,「對偶理論」揭示出,一些理論看似非同尋常,實際卻產生了同樣物理結果。

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。

愛德華·威騰創造了「M理論」這一術語,但他卻有意不對「M」的含義做出解釋,行內人有人說它是「膜」的意思,有人說它代表「魔幻的」或「神秘的」意思,但有一點很明確,具有11個維度的M理論是一個只包含「膜」卻沒有「弦」的理論。M理論中充斥著各種不同維度的「膜」:點狀粒子稱為「零位膜」,因為它們無窮小而且沒有維度;一根「弦」稱為「一位膜」,因為它是只有長度的一維體;一片膜就被稱為「二位膜」,就像籃球的表面那樣,有長度和寬度;我們的宇宙可能就是某種類型的「三位膜」,是一種具有長、寬、高的三維體。

可以說,「膜」就是M理論的靈魂,物理學家有很多種方法將「膜」蛻變為一根「弦」,所以相對來說,「弦」卻反而不顯得那麼重要了。不得不說的是,M理論中的「膜」是一個抽象的概念,是否真實存在於現實世界之中還有待驗證。著名女性弦理論物理學家莉薩·蘭德爾認為,M理論中的「M」還暗示這是一個「迷失的理論」,它還只是推測,還沒有被充分理解,雖然由「膜」所取得的進展解釋了一些理論性的問題,但是「膜」還沒有自己的場論,還沒有基本的方程式,當今物理學界正期待著它們的出現,這也是目前很多著名物理學家都在研究它的原因。

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  • 為什麼弦理論不是科學理論?
    似乎,通過稱其為「弦理論」而將其表示為一種科學問題的解決方案,我們已經給出了肯定的回答:是的,弦理論就是一種科學理論。但它僅僅是數學意義上的理論, 這意味著它有自己獨有的一套公式、假設、元素與由其推導的定理和推論。集合論、群論、數論都是數學理論的例子,弦理論也是如此。
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    弦理論 VS M理論:解釋宇宙的對決在弦理論中,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。在20世紀90年代早期,弦理論陷入了理論困境。
  • 宇宙理論之爭!弦理論最終會被M理論統一嗎?
    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」,這些可以是有端點的「開弦」,也可以是圈狀的「閉弦」。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。這五種不同的弦理論有一些共同點。首先,它們都涉及維度。
  • 宇宙密碼之被神化了的弦理論
    所謂的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但是弦理論認為物質只要是小到一定程度了就會沒有了就是不存在了,當然這個觀點本文是不認可的。弦論中的弦尺度非常小,存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體,被簡稱為「膜」。直觀的說,我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。
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    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。
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    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。
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    閉弦構成的東西就比較少了,但是由它構成的東西,卻又極其重要,也是目前的大統一理論一直搞不定的那個東西,就是引力。強力、弱力和電磁力都好說,唯獨這個引力完全不合群;雖然假想的個叫「引力子」的東西,但是這個「引力子」到目前為止都沒有在實驗中找到,甚至僅僅從理論上來解釋都很困難,以至於後來還發展出了專門的「量子引力理論」,但是解釋起來依然力不從心:不但數學運算複雜,甚至還無法自洽。