被稱為「大一統」的超弦理論是憑什麼擊敗相對論和量子力學的?

2020-12-04 樹上長的宇宙果

在過去的時間裡,我們已經能用量子力學和廣義相對論預言很多物理方面的事情。從微小的原子、分子領域到廣袤的星系、星系團,我們都能用這兩種理論工具言之一二,這也確實是很了不起的。

不過隨著時間轉到21世紀,越來越多的實驗證明了,無論是量子力學還是廣義相對論都沒能達到最深層的認識。在物理領域,我們使用的理論一般也只有一種:要麼是量子力學,要麼是廣義相對論。當然也有例外的情況——黑洞的奇點,也只有這種極其特殊的環境下才可能同時用到兩種理論。但它們的確是水火不容的,至少它們相互的方程式沒辦法配合在一起,更多的時候是沒辦法得出有意義答案的。

雖然沒有辦法把廣義相對論和量子力學的概念結合起來,但聰明的科學家發現,狹義相對論卻對量子力學的框架至關重要,至少狹義相對論與量子力學一樣都在微觀世界下了不少功夫。為了能把狹義相對論與量子力學結合起來,科學家先把它們的力氣集中在電磁力與物質的相互作用上,最後他們建立了量子電動力學。

它可能真的包含兩種不同的概念,量子的不確定觀點從一開始就融合其中,狹義相對論也是。不過大多數人可能對量子都沒有一個清晰的認識,我們可以想像一個畫面:多不勝數的粒子形成力線穿過空間,它們不停地在空間來回波動,形成一扇絢麗的圖像。

所以廣義相對論考量的只是宏觀的天文角度,想要把它和量子力學結合,我們必須先從微觀世界下手。但這又很矛盾,廣義相對論的空間概念已經被微觀尺度的量子世界徹底破壞了。對量子力學而言,概率以及不確定性就是它的特徵,但愛因斯坦卻認為這是不可理喻的,所以它們之間也是針鋒相對的。

為了能讓二者平和的協調,科學家做出的努力不下數十次,但每次都只是要麼修正相對論,要麼就只能對量子力學進行調整。雖然每一次的努力都令人欽佩,但結果卻還是一次又一次的失敗。終於,超弦理論以一種平和的姿態進入了我們的視線。

至於超弦理論是什麼,簡單來說它是修正了微觀世界和宏觀世界的介質,也是使廣義相對論和量子力學完全相容的一把鑰匙。根據超弦理論,宇宙的基本構成要素就不再是粒子,而是一根根仿佛橡皮筋的線。雖然稱為「弦」,但構成方式更奇妙,它被認為是構成原子的更小結構。

雖然弦小的可憐,但如果作為代替粒子的基本單位卻再好不過:首先超弦理論解決了廣義相對論和量子力學的矛盾。無論是微小的原子還是巨大的恆星,弦連在一起以一種「彈奏」的方式演出一場盛大的旋律。在超弦理論中,弦被彈奏一次可能就是一顆氧原子,再換個方式彈奏可能就是氫原子了。如果以這種方式來說,超弦理論似乎真的可以完成一場名為宇宙的奏曲。

當然,以上只是超弦理論最淺顯的原理。欲知後事如何,還要看下回分解!

弦理論已死?一個包羅萬象理論,奏出物質之音

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    長久以來,超弦理論被視為萬有理論,很多人把自然規律的大一統寄托在超弦理論上。愛因斯坦在完成廣義相對論之後才36歲,可是愛因斯坦一共活了76歲,可以說愛因斯坦在中年以後的40餘年內一直致力於大統一理論。可他至死都沒有完成大一統理論。愛因斯坦的遺憾後人能否彌補?看來最有希望的還是弦理論了。
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    對於廣義相對論和量子力學來說,他們之間的矛盾早已變得不可調解,但另一個橫空出世的理論卻讓它們不再彼此爭論。當然這不是說它們真的就從此不再爭吵,只不過這個新理論讓廣義相對論和量子力學兩位「老人」細細地觀察了一番,沒工夫再吵下去了而已,人們還為這個新理論取了一個好聽的名字——超弦理論。但至於為什麼說超弦理論是橫空出世的,時間還要回到20世紀。
  • 被稱為「大一統」的理論,試圖解決愛因斯坦無法解決的難題
    因為宏觀宇宙無限大的特點,導致人類無法更好的觀察和研究,因此「理論物理學」應運而生,用理論來研究宇宙中的未知事物,例如「未知的結構」,「物體間的相互作用」等等,「量子力學」「宇宙學」「統計物理」都屬於理論物理的範疇,雖然理論物理的知識和傳統物理不一樣,無法直觀的看到或證實,但是它們在人類探索宇宙的過程中,起到了至關重要的作用。
  • 物理學界的真真假假,對相對論,量子力學,超弦,暗黑物質的聯想
    但歷史告訴我們,很多偉大理論的發現不是因為現有理論的一帆風順,而是發現現有理論有不可彌補的破綻( 例如跟其他理論不相容) 。我們可以透過光速和時空兩個例子去簡略看看狹義相對論、廣義相對論、量子力學、超弦理論及統一理論間千絲萬縷的關係。光的速度當然是很快,這也是伽力略當年測量實驗失敗的主因。
  • 量子力學是介於經典力學和相對論之間的理論
    糾纏的粒子有驚人的特性,所以它被量子力學拒之門外。這些特性無法被廣義上的量子力學描述,所以一般認為這些特性還不是量子力學的一部分。量子力學不主張非慣性系下的第二宇宙速度,很難用經典理論和量子理論解釋成薛丁格方程,超弦理論和弦論尚未形成其自洽體系量子力學本身有一些體系設定是與經典力學有衝突的。
  • 愛因斯坦相對論錯了?超弦理論又是什麼
    大家都知道愛因斯坦創立的兩大複雜的理論,狹義相對論和廣義相對論。這兩大理論構成了當代關於地球認識的基礎,有一個形象生動的比喻,就是兩兄弟對坐在火爐面前,如果此時有一個美女,那麼他們就不會覺得這個火的溫度是烤人的。
  • 這種猜想可能將實現相對論和量子力學的大一統!
    現代科學有兩大支柱,一種愛因斯坦創立的相對論,一種是無數量子大師創立的量子力學。在平常生活的領域中,牛頓三定律基本可以完美解決問題。但是當物體被放大到天體層面時,牛頓力學便呈現了局限性,需要相對論來補充了。
  • 弦理論真的能統一廣義相對論和量子力學嗎?
    在愛因斯坦撰寫的《相對論的意義》(The Meaning of Relativity)重印版本的前言中,弦理論物理學家布賴恩格林寫道,超弦理論成功地結合了廣義相對論和量子力學。除此之外,它也有能力平等的包含電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。
  • 相對論和量子力學的「大一統」理論何時才能解除封印?
    愛因斯坦有兩大著名的相對論,一個是狹義相對論,另一個則是廣義相對論。那麼到底什麼相對論呢?相對論的提出其實和牛頓以及光速有一定的關係。從而否定了牛頓的絕對時空,這個原理是伽利略相對性原理(力學相對性)的一個推廣,在一個參考系中建立起來的物理定律,通過適當的坐標變換,可以適用於任何參考系。
  • 為什麼量子力學和相對論有矛盾?超弦理論或將統一物理學
    相對論和量子力學都可以說是人類智慧的結晶,它們都經過了最嚴格的實驗驗證,都是當前最成功的理論。 但是量子力學和相對論卻有著難以調和的矛盾,愛因斯坦晚年為了解決這個矛盾曾一度致力於勾畫大統一理論,然而事違人願,愛因斯坦直到去世都沒有解決這個問題。大家知道,牛頓力學在宏觀低速的世界裡很適用。
  • 被稱為「大一統」的理論,解釋了宇宙本質,內容顛覆認知
    相信每個人都會有不同的答案,但是「弦理論」這個回答一定是相當一部分想說的答案,畢竟弦理論是很多人心目中的「大一統理論」,就連知名的美劇《生活大爆炸》中主角謝爾頓在一開始就是研究弦理論的,只不過因為一直沒有進展,在最後放棄了。
  • 相對論與量子力學水火不容之際,弦理論誕生了
    水火不容的相對論與量子力學大自然的四種基本力中,相對論統一了引力,量子力學統一了電磁力、弱核力、強核力。但物理學家試圖將引力也納入量子力學時,卻得到無窮大的災難性結果。相對論和量子力學為什麼會如此的水火不相容呢?廣義相對論的核心是光滑與彎曲的幾何結構,除了在超微尺度下,時空結構都很平坦,所以廣義相對論也能用的很好。然而,當來到超微觀尺度下時,量子力學的不確定性原理和廣義相對論引力的幾何模型變得水火不容。
  • 被稱為「物理的終極理論」的M理論,到底想要證明什麼?
    關注物理學的人肯定知道,雖然物理學在不斷發展,但是物理的基礎理論已經很久沒有突破了,弦理論和量子力學仍然是人們物理學的兩大支柱,在高速領域和微觀世界中這兩個理論都在不斷發展,但是如何界定宏觀和微觀的區別,為什麼微觀世界中的現象和宏觀世界不同,這些問題都在困擾著人類,因此人類需要一個「大一統」理論。
  • 被稱為「物理終極理論」的M理論,到底想要證明什麼?
    關注物理學的人肯定知道,雖然物理學在不斷發展,但是物理的基礎理論已經很久沒有突破了,弦理論和量子力學仍然是人們物理學的兩大支柱,在高速領域和微觀世界中這兩個理論都在不斷發展,但是如何界定宏觀和微觀的區別,為什麼微觀世界中的現象和宏觀世界不同,這些問題都在困擾著人類,因此人類需要一個
  • 阻礙大一統的「引力子」,或和「上帝粒子」有關
    即便超弦理論是最理想的候選者,但卻淪為數學上的伎倆,很難被實驗證實!我強調一下:有的科學家認為大一統理論就是可以用單一現象解釋引力以外的所有力學現象。而大一統理論和引力的融合才被稱為萬有理論。從愛因斯坦青年時期開始,大一統理論就被科學家提上議程,愛因斯坦後半生為了大一統理論也算是鞠躬盡瘁了。可很遺憾,直到目前為止,我們都未實現愛因斯坦的夙願。
  • 「超弦理論」講了個啥?通俗版! 獨家首發!
    為了簡化,我們在這裡不區分弦理論和超弦理論。加來道雄弦理論是現代物理學的一個分支,它的許多推論不僅讓常人難以理解,有時專業人士也會感到疑惑!如果你非要讓筆者解讀弦理論的深奧之處,你或許會失望了! 當然,筆者儘量把超弦理論的基本思維框架介紹到!
  • 超弦理論的最科學解讀
    其結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論。,二是量子力學的建立。量子力學描述的是微觀世界的現象和規律,在量子力學中的萬有引力小到完全可以忽略。廣義相對論涉及到宏觀大尺度的物體運動包括了空間的扭曲產生了「引力」這種現象。
  • 大一統理論真的存在嗎?
    現代物理學的兩大支柱,相對論和量子力學,我們需要注意以下細節:愛因斯坦提出相對論的時候,強、弱相互作用力還沒有正式發現。電磁力、強、弱相互作用力,都以微觀粒子為主。愛因斯坦晚年尋找大一統理論,目標就是統一引力和電磁力,雖然愛因斯坦沒有成功,就算成功了,也缺少了強、弱相互作用力的統一。這就引出一個疑問:人類真的找到了所有基本力?宇宙真的只存在四種基本力?
  • 物理學的兩大真理:相對論與量子力學為何相互矛盾?根源在這個點
    大家好,歡迎收看量子科普第76期,我是常常,今天和大家聊一聊關於現代物理學的兩大支柱:愛因斯坦的相對論與量子理論為何不能相融的事情。愛因斯坦的相對論解釋的是宏觀世界,而量子力學是微觀量子領域的科學,按照常識來說,宏觀世界是由微觀量子世界組成的,而微觀量子世界被包含於宏觀世界,兩者應該是相輔相成、融會貫通的,但令人奇怪的,解釋宏觀世界的相對論卻無法解釋微觀量子世界,而微觀量子世界的很多現象在宏觀世界中根本就找不到類似現象,甚至連邏輯上都解釋不通,兩種理論根本無法融合,這究竟是怎麼回事呢?