「弦」外之音:弦是什麼?它真的是最基本的物質組成基元嗎?

2020-12-05 天文同好樂園

弦理論中的「弦」到底是什麼?弦理論宣揚的是,如果能夠以遠超目前所具備的檢驗能力和精度去檢驗標準模型中假設的點狀粒子,我們將看到,每個粒子都是單獨的一根或一圈細細的振蕩著的「線」或者「圈」,它的大小尺度為普朗克長度,大約是原子核的一萬億億分之一(小數點後面跟19個零)。正因為弦是如此之小,所以在當今沒有任何實驗能夠揭示弦的本性:弦是否真的不再可分了?它真的是構成物質最基本的基元嗎?

問題有兩個可能的答案。第一,弦是真正最基本的東西,是「原子」。這裡原子的意思和我們通常認識上的原子不一樣,它是古希臘人創造「原子」這個詞的本來意義,即它是不可分的基元。弦就是構成萬物的基元,就像是「俄羅斯套娃」中的最後一個,代表著微觀世界中數不清的亞結構層次走到了盡頭。從這一點看,再去問弦是由什麼組成的也就沒有意義了,因為如果弦是由比弦更小的事物組成,那麼它就不會是最基本的。

反之,如果什麼東西構成了弦,它就當然可以取代弦的位置而成為更基本的宇宙基元。這裡我們可以用語言學來做一個類比,我們說,一片文章由幾個段落組成,段落由句子組成,句子由詞組組成,詞組由單個字組成,單個字由筆畫組成,那麼筆畫由什麼組成呢?這個問題是沒有意義的,筆畫就是筆畫,它們是書面語言最基本的建築磚塊,再沒有更小的結構了。同樣,弦就是弦,沒有比它更基本的東西,所以不能將它描繪成由別的任何物質組成的東西。

以上是第一個答案。第二個答案是基於目前的現實情況,那就是弦理論家們還不能最終確定弦理論是不是正確的,是不是就是他們苦苦尋找的萬有理論。假如弦理論真的走錯了方向,那麼所有人都可以忘記弦和那些關於它們的組成問題,而這是有可能的,最起碼不能排除這種可能,雖然弦理論家們堅持認為弦理論前景一片光明,但是並不能拿出令人信服的證據。當然,這主要是因為目前不具備這種能力。

從另一方面看,科學的發展歷史告訴我們,每當對宇宙的認識深入一步,人們總會發現物質還有更微觀的層次、還有更小的組成基元。即使在普朗克長度下可以看到弦,難道就一定是最後的最小的那個「俄羅斯套娃」嗎?如果存在比普朗克尺度更小的尺度呢?在這種情形下,弦就有可能由更小的結構組成。弦理論家們並沒有排除這種可能性,也在不停地尋找這種可能性,相信經過艱苦的研究,總有一天他們能回答這個問題。

相關焦點

  • 構成物質的「弦」又由什麼組成
    有人問「引力如果是時空彎曲產生的」,「那為什麼還要尋找引力子」,這個應該是《閒說弦論》當時的問題,簡單的說,無法統一四種基本力,其實不只是相對論,量子力學也做不到這點,相對論處理不了微觀,量子力學處理不了宏觀。
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    這些弦非常小,大約只有原子核的一萬億億分之一,即使用上世界上最清晰的顯微鏡我們也發現不了它們的蹤跡。就算站在亞原子的尺度,弦還是太小了,用量子加速器把弦的物質能量提高到以前的1000億倍,才能揭示它們是弦而不是粒子。這樣解釋也還是太模糊了,屏幕前的你可能也很納悶——弦到底是什麼呢?
  • 「大一統」的超弦理論為什麼要把更小的弦作為基本單位?
    通俗來講,在這個理論之下,這個世界最基本的構成單位不再是原子和分子,而是更小的「弦」。它們就像一根根橡皮筋,用震蕩的方式感染這個世界,每個粒子都是單獨的一根震蕩著的小線圈。在這裡我們要記住一個前提,弦是真正最基本的東西,是曾經人們心目中的「原子」,也是再不可分的基原。在這一理論下,弦就是構成這個世間萬物的最基礎單元。從現在來看,弦是原子的構成單位,如果今後出現了什麼東西可以構成弦,那它就可以取代弦目前的位置,成為最基本的單元。
  • 弦理論已死?一個包羅萬象理論,奏出物質之音
    現代物理學背靠的是兩大支柱:一個是愛因斯坦的相對論,它為大尺度宇宙(如恆星、星雲、星系甚至黑洞)提供了理論框架;另一個是量子力學,在這個框架下可以認識到小尺度宇宙(原子、分子甚至更小的電子夸克)。沒錯,我們在日常說的宇宙只是大尺度宇宙,更小的粒子也是宇宙,雖被稱為小尺度,但這一世界的宏大可以超出你的想像。
  • 最可能成為「統一物理學」的弦理論,其中弦的基本原理是什麼?
    這告訴我們每次自以為了解大自然的一切時,它還總藏著一些驚奇用來帶給我們否定自己的震撼。儘管目前弦理論被稱為可能上的「大一統」理論,但它現在的地位還是很低。不過也沒有什麼關係,就像文章開頭的那一句話,至少弦理論學家信心滿滿,這就足夠了。弦理論之前廣義相對論和量子力學之間的水火不容。
  • 宇宙的琴弦:別讓弦理論的名字騙了,其實它本身也由原子構成!
    自超弦理論發現以來,音樂的世界成了驚人的現實,因為這個理論認為,微觀世界裡到處是小小的弦,它們不同的振動便合奏出宇宙演化的交響曲。根據超弦理論,變化的微風吹遍了整個宇宙。另一方面,標準模型卻把宇宙的基本組成看做一點一點的沒有內部結構的粒子。
  • 宇宙的本質是振動嗎?世界上最小的物質,1分鐘了解弦理論
    它的質能方程就是如此的簡單,體現了一種獨特的公式美。過去,在微觀領域,我們認為構成物質最基礎的單位就是原子了。這就是一種簡單的美,只需要原子就能構造整個世界。然而隨著越來越多基本粒子的發現,這一簡單美被破壞了。
  • 弦理論,想看看「弦」長什麼樣子嗎?那來一臺「環銀河顯微鏡」吧
    看過一些弦理論科普的小夥伴,應該都知道,弦理論認為所有的基本粒子都是由一維的「弦」組成的,而這根弦的不同震動方式,使它們具有了不同的性質,從而決定了它們成為了不同的粒子。既然基本粒子是由振動的弦構成的,而這個一維的弦肯定是有長度的,不然就不叫「弦」了,又回到「點粒子」去了。正因為它有長度,所以它才不會導致無窮大的問題。但是弦的長度極其短小,目前認為,弦的平均長度是普朗克長度,所以說弦是目前理論上的最小值結構。
  • 宇宙密碼之被神化了的弦理論
    在理論裡的物理模型認為組成所有物質的最基本單位是一小段「能量弦線」,大至星際銀河,小至電子,質子,夸克一類的基本粒子都是由這佔有二維時空的「能量線」所組成。而超弦論者們認為所謂的弦理論可以解決和黑洞相關的問題。在弦理論中,基本對象不是佔據空間單獨一點的基本粒子,而是一維的弦。這些弦可以有端點,或者他們可以自己連接成一個閉合圈環。
  • 組成物質的最小單位是什麼?
    隨著現代科學的建立,原子被認為是一切化學變化的最小單位,但不是物質的最小單位,它還可以再分為原子核和核外電子,而原子核又分為質子和中子,質子和中子又分為夸克……,人們認為物質不能無限可分,總有最小粒子即基本粒子的存在,一場尋找基本粒子的行動延續至今,歷經三代變更,目前確認存在六十二種基本粒子,它們被認為是物質存在的最小單位。那麼它們真的不能再分了嗎?現在有的科學家認為基本粒子是可分但不可分離。
  • 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?
    ,按照從前的觀點,基本粒子之間的差別大致被分為解釋為每種粒子「從不同的結構裡分離出來」,雖然每個粒子都被看成基本的,但各自被賦予的基元類型卻是不同的。例如:電子的基元帶負電荷,而中子的基元沒有電荷。弦理論徹底改變了這幅圖景,宣布所有物質和力的基元都是相同的,每個基本粒子都是由一根弦組成,也就是說,一個粒子就是一根弦,而所有的弦都是絕對相同的。粒子間的區別是因為各自的弦在經歷不同的共振模式。不同的基本粒子實際上是在同一根基本弦上彈出的不同的「音調」……對弦理論學家們來講,量子力學的基本粒子在弦理論學家眼中都是一根根振動著的弦。
  • 神秘的暗物質,未解之謎,那就用弦理論掀開它的面紗吧!
    它可以從弦理論的角度解釋,目前的一些未解之謎,如暗物質到底是怎麼回事,宇宙大爆炸的起源是什麼。這兩個問題確實困擾了我們很久。今天我們從M理論「膜」的角度來回答一下這兩個問題。暗物質依舊是一個非常神秘的物質,因為除了引領效應外,無法通過其他方式來觀測。目前傳統觀念,認為構成暗物質的粒子,不屬於已知的任何粒子,所以我們觀測不到。但是從「膜理論」來看,暗物質之所以觀測不到,可能並不是因為構成它的粒子比較特殊,而是它壓根不存在於我們這個空間中!
  • 弦理論到底在說啥?
    在這樣的背景下,有物理學家提出了弦理論,認為它是能夠統一這兩大學說的「萬有理論」。你聽說過弦理論嗎?它真的能解答宇宙的終極問題嗎?為什麼要用弦來代替粒子作為萬物基元,而不是其他東西?弦理論所提出的高維空間真的存在嗎?它可以被證實嗎?關於弦理論,你不知道、想知道的,都在這裡!
  • 弦論學家:黑洞並不存在,取而代之的是弦球
    當物質被壓縮成足夠小的體積時,它自身的引力所產生的拉力將足夠強大,一旦超過某個閾值,物質就會坍縮成黑洞。黑洞中心的物質是無限小的,所以它的密度是無窮大的。在這一點上,所有的數學物理定律都將失效。這還不是黑洞的唯一問題。在1976年的時候,霍金髮現由於量子力學的怪異,黑洞會發出輻射並慢慢蒸發。
  • 弦理論是否能解釋宇宙的本源?
    宇宙的本質是什麼?為了回答這個問題,人類想出許多模型來描述世界。我們不斷驗證這些模型並學會揚棄。但隨著我們知道的越多,模型就變得越複雜,越怪誕。有些甚至困難到難以用精確的方式去描述它。比如弦理論。一個著名的,充滿爭議的並且常常被誤解的理論。為什麼我們會想出這套模型,它是正確的嗎?還是只是一個不值得重視的想法。
  • 弦理論中,弦為什麼必須振動呢?它為什麼振動?
    弦理論的前世今生自牛頓開創現代科學以來,以物理學為代表,科學界的最高教義是統一。現代物理發展到今天,我們通常認為宇宙存在四種最基本的力,電磁力、弱力、強力、引力。高能物理派橫空出世,花費幾十年功夫,由楊振寧為代表,搞出來一個標準粒子模型,把電磁力、弱力、強力統一到一起,使得物質是什麼有了一個根本的解釋,雖然一幫子人拿諾獎拿到手軟,但是引力始終橫亙在中間,難以形成大家理想中的大統一。天才的費曼曾經這樣評價:「我們確實知道它是有點兒錯的,或者至少是不完整的」。
  • 顛覆科學認知的弦理論到底是什麼?它又是如何推導出多維空間的
    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!弦理論的發展否定了目前所認為的構成物質的基本粒子。 弦理論認為這些基本粒子壓根就不是實在的,只是弦振動的現象。超弦理論認為,不存在粒子,只有弦在空間運動,各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。自然界中所發生的一切相互作用,所有的物質和能 量,都可以用弦的分裂和結合來解釋。
  • 弦理論解釋—什麼是現實的真正本質?
    我們曾經認為它們就是世界的基本單元,直到我們將它們強力相撞,並發現了完全不可再切割的物質「基本粒子」。但現在有個問題,基本粒子太小,我們不能直接觀測到它。試想一下,什麼是觀測呢?想要做觀測,我們需要光,也就是電磁波。這道波撞擊物體的表面,並反射至你的眼睛裡,光波攜帶著物體的信息,讓你的大腦能建構影像,所以你不能在沒有某種交互作用的情況下做觀測。
  • 宇宙的本質是什麼?弦理論簡說
    宇宙的真正本質是什麼?為回答這一問題,人類提出了各種描述世界的理論,我們檢驗這些理論並且得知哪些可以保留哪些應該拋棄,不過我們了解得越多,我們的理論就變得更加奇怪和複雜,以至於很難理解它們講的是什麼,比如弦理論,一項著名的頗受爭議的並且常常讓人誤解的關於萬物本質的理論,我們為何提出它?它是正確的嗎?或者,它應該被屏棄?
  • 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。