什麼是弦理論?優雅的數學描述強相互作用力

2020-11-24 cnBeta

據國外媒體報導,弦理論是一套人們為統一20世紀的兩大支柱理論——量子力學與相對論——而提出的理論,試圖用一套大一統框架來解釋所有的物理現象。弦理論假定,粒子其實是一種類似琴弦的一維實體,其振動規律決定了該粒子的質量和電荷等性質。

據牛津大學和英國皇家科學院建立的一個有關弦理論的網站介紹,這套反直覺的理論最早提出於上世紀60至70年代,當時的科學家們曾用「弦」的概念為歐洲亞原子對撞機產生的數據建模。弦為強相互作用力提供了一種優雅的數學描述(強相互作用力是宇宙中的四種基本力之一,原子核正是依靠這種力結合在一起的。)

在很長一段時間裡,這個話題都處於學界邊緣位置,一直到1984年的「弦理論革命」為止。就在那一年,理論學家麥可•格林(Michael Green)和約翰•施瓦茨(John Schwarz)提出的等式顯示,如將粒子描述為「弦」,便可避免將粒子描述為點狀物質的各類模型存在的特定矛盾。

但在該理論萌芽之後,研究人員相繼提出了五種不同的、解釋一維的弦如何在10維宇宙中振動的模型。1995年,科學界迎來了第二次弦理論革命。物理學家發現,這些各自迥異的理論實則互相關聯,並且可以與另一套名為「超引力」的、運用於11維空間的理論相結合。弦理論就此演變成了我們如今所知的形式。

解謎

弦理論是人們為創造「萬物理論」所做的眾多嘗試之一。所謂的「萬物理論」能夠取代物理學標準模型,對所有已知粒子和作用力進行描述。許多科學家都是弦理論的擁躉,因為它極具數學美感。弦理論的等式十分「優雅」,對物理世界的描述也令許多人感到極為滿意。

該理論利用一種特殊的、正在振動的弦來解釋引力,其性質與引力子性質相對應。引力子是一種假想中的、帶有引力的量子力學粒子。與我們熟悉的三個空間維度和一個時間維度不同,該理論涉及11個維度,但支持者們並未因此被「勸退」。支持該理論的物理學家們認為,這些多餘的維度可以蜷曲在一個極小的空間中,尺度達10-33釐米,因此一般無法被我們探測到。

研究人員試圖用弦理論解答一些宇宙基本問題,如黑洞內部是什麼情況等等,或者模擬宇宙大爆炸等宇宙事件。有些科學家甚至嘗試過用弦理論解決暗能量問題,即加速時空擴張的神秘作用力。

永不停步的探求

但弦理論近來遭到了不少質疑。弦理論的大多數預測都無法用現有技術檢驗真偽,許多研究人員不禁懷疑,這條探索之路究竟有沒有盡頭。2011年,物理學家們聚集在美國自然歷史博物館,參加第11次艾薩克•阿西莫夫紀念辯論大會,討論利用弦理論描述物理現實的做法是否合理可行。

自然歷史博物館海頓天文臺主任尼爾•德格拉斯•泰森(Neil deGrasse Tyson)指出,弦理論近年來的進展時好時壞。

弦理論遭遇的最新挑戰來自該理論框架本身。據該框架預測,除了我們自己的宇宙之外,可能還存在多達10500個獨一無二的宇宙。既然存在這麼多的多重宇宙,只要研究人員展開探索,總會遇到一個與我們所在宇宙相對應的宇宙。但2018年,一篇頗具影響力的論文指出,這些假想宇宙中沒有一個看上去與我們自己的宇宙相似。說得更具體些,沒有一個多重宇宙能按照我們目前的理解描述暗能量。

「弦理論學家們提出了無數種數學解釋,但均不與我們的觀測結果存在任何已知關聯。」德國法蘭克福高等研究院物理學家薩比娜•霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)指出。

其他研究人員則堅信,弦理論總有一天會證明自己。密西根大學物理學家戈登•凱恩(Gordon Kane)表示,大型強子對撞機升級完成後,不久便可提供佐證弦理論的證據。不過就目前而言,該理論的最終命運仍是個未知數。

相關焦點

  • 什麼是弦理論?真有10500個獨一無二的宇宙?
    弦為強相互作用力提供了一種優雅的數學描述——強相互作用力是宇宙中的四種基本力之一,原子核正是依靠這種力結合在一起的。在很長一段時間裡,這個話題都處於學界邊緣位置,一直到1984年的「弦理論革命」為止。就在那一年,理論學家麥可·格林(Michael Green)和約翰·施瓦茨(John Schwarz)提出的等式顯示,如將粒子描述為「弦」,便可避免將粒子描述為點狀物質的各類模型存在的特定矛盾。但在該理論萌芽之後,研究人員相繼提出了五種不同的、解釋一維的弦如何在10維宇宙中振動的模型。1995年,科學界迎來了第二次弦理論革命。
  • 幾分鐘帶你了解前沿理論——弦理論
    弦提供了一個描述強相互作用力的優雅的數學方式,強相互作用力是宇宙中四個基本的相互作用力(即強相互作用力,弱相互作用力,電磁相互作用力,萬有引力)之一,可以將原子核聚集在一起。解開謎題弦理論作為一個適用於萬物的理論被提出,這是一個描述所有已知微粒和力的模型,並有可能取代物理學標準模型,標準模型可以解釋除了重力以外的一切。很多科學家相信弦理論,因為它具有一種數學上的美感。弦理論的方程可以被稱為優雅,其對物理世界的描述令人滿意。
  • 4大基本作用力之一強相互作用力
    強相互作用力:強相互作用是作用於原子核內強子之間的力,是目前所知的四種宇宙間基本作用力最強的,也是作用距離最短的(大約在10-15~10-10米範圍內)。最早研究的強相互作用是核子(質子或中子)之間的核力,它是使核子結合成原子核的作用。
  • 什麼是弦理論?
    宇宙是由什麼組成的?這是一個從一開始就吸引科學家的問題。
  • 四種宇宙基本力| 強相互作用力| 理論| 天文
    電磁力的正負電荷在宏觀上分布極端平均,而強相互作用力和弱相互作用力有衰減的太快,唯獨只有依賴於質量的萬有引力,在宏觀上仍然保持著較大的大小。 而今天我們將離開常見的引力和電磁力(經典物理),進一步了解主掌粒子階層的強相互作用力。 首先我們先思考這個問題
  • 究竟什麼是弦理論?
    究竟什麼是弦理論?我們通過以下一些問題帶你認識21世紀最偉大的理論之一。【1. 什麼是弦理論?】
  • 四種基本作用力統治整個宇宙,而這種理論或將四種力融合在一起!
    在量子世界裡,沒有什麼是確定無疑的,那是個放蕩不羈,難以捉摸的地方,量子世界的定律與我們習慣的定律截然不同!是不是非常驚訝?
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  • 引力在極端情況下會變成強相互作用力嗎?
    不會的,引力和強相互作用力都是目前已知的四大基本自然力之一,它們在本質上是不一樣的,無論作用距離如何縮短,都無法改變它們的性質。如果引力和強相互作用力是一個東西,那它們各自就不會成為基本力。引力被認為是最弱的基本力,強相互作用力被認為是最強的基本力,這是有前提條件的,那就是在飛米尺度下,即10^-15米,強相互作用力的強度是引力的10^39倍。引力在亞原子粒子尺度下當然也是存在的,因為根據廣義相對論,任何微小的物質或者任何形式的能量都存在能動張量,這就會導致時空結構發生變化,從而產生引力作用。
  • 在量子理論的表面之下,存在著一個充滿活力的弦理論世界
    更重要的是,這些結果可以被看作是弦理論的一種不尋常的間接證據——弦理論是一個有40年歷史的框架,它將量子力學和重力編織在一起,在數學上優雅而深刻地解釋了弦理論。暗物質被認為佔宇宙質量的84%。隨著人們對暗物質性質的疑問日益逼近,以及對「萬物理論」的探索,研究人員表示,這些發現可能會產生廣泛的影響。
  • 2016國際弦理論大會在清華召開
    2016國際弦理論大會在清華召開清華新聞網8月5日電 (通訊員 尚妤嬋 記者 李華山) 8月1-5日,2016年國際弦理論大會(Strings 2016)在清華大學隆重舉行。與會學者們圍繞超弦理論,量子引力、量子場論、數學物理以及高能物理等前沿學科方面展開學術探討。本次會議為不同學科分支的數學和物理學者提供互動交流的平臺,對促進跨學科領域的發展,推動世界,尤其是中國等發展中國家基礎科學發展發揮了重要的作用。
  • 高中物理 第二十講 相互作用力
    現代物理學認為,自然界中存在的基本相互作用力有四種,它們是引力相互作用力(萬有引力)、磁力相互作用力(彈力、摩擦力)、強相互作用力(核力)和弱相互作用力(衰變),就部目前而言,大自然萬物基本都是由這四種自然力構建起來的 ,也就是我們用這四種力來認識世界。
  • 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?
    這隻動物是什麼呢?家庭成員們卻有不同看法。公公說:這是一隻神奇的鹿。婆婆說:這是一匹矯健的馬。兒子說:其實,是一頭驢。媳婦說:啥呀!就是一頭豬而已。超弦理論和弦理論有什麼區別?簡單地說,在弦理論的基礎上加入超對稱的概念後,僅僅解釋了強相互作用力的弦理論就發展到「可以」解釋四種基本作用力和構成物質的粒子——費米子的超弦理論。
  • 平衡力與相互作用力
    「大小相等、方向相反、作用在一條直線上.」相互平衡的兩個力,與相互作用的兩個力都具有以上特點,這就導致好多同學不知如何區分什麼樣的兩個力是相互平衡關係
  • 4大基本作用力之弱相互作用力
    弱相互作用力:最早觀察到原子核的β衰變是弱相互作用引起的一種現象,凡是涉及中微子的反應都是弱相互作用過程。十九世紀末,物理學家發現,有的原子核能夠自發地放出射線。後來發現,在放射現象中起作用的還有另外一種基本作用,即弱相互作用。
  • 什麼是量子引力理論?
    迄今為止,人類已經發現了四種主宰這個宇宙的自然基本作用力:電磁力、強核力、弱核力和引力。目前的粒子物理標準模型已經能夠把前三種基本力統一起來,這個模型可以很好地描述這三種基本力,世界上的各種粒子加速器的實驗結果都能支持這個理論。
  • 怎樣區分一對平衡力與相互作用力?
    首先我們要清楚什麼是平衡狀態?物理中講物體處於靜止或者做勻速直線運動時,就是平衡狀態,那麼處於平衡狀態的物體受到的外力自然是相互平衡的。相互作用力更好區分。相互作用力滿足一個結構就是:A對B與B對A。比如說,繩子拉物體,繩子對物體的拉力與物體對繩子的拉力就是相互作用力,根本不需要考慮物體所處的狀態。
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    愛因斯坦在生命的最後30年裡一直在尋找統一場論——一個能在單獨的包羅萬象的協和的數學框架下描寫自然界所有力的理論。實際上,他是在尋找一個能描述一切現象的理論。然而,愛因斯坦未能實現他的夢。當今,相當一部分物理學家相信他們發現了一個框架,有可能把這些知識縫合成一個無縫的整體——一個單一的理論,這就是弦理論或稱超弦理論。
  • 基本作用力有:引力、電磁力,你還知道什麼「力」?
    那麼到底是什麼作用在改變著物體的運動狀態呢?兩個小球相撞,雖然兩個小球各自的運動狀態都改變了,可是從整個系統的角度來看,兩個小球仍然符合動量守恆,其實並沒有什麼「力」摻和在這起小球相撞事件中,只不過是「速度」從一個小球轉移到了另外一個小球身上。宇宙中的第一種基本的力是萬有引力。