跟胖哥學物理 弦理論的基礎

我們都知道,近代物理學有兩大理論:相對論和量子論,這兩種理論都能很好解釋一些自然界中一些現象。但是對於自然構成也出現截然不同觀點,兩者也似乎有無法統一的認識。其實,都是一種正確的觀念,只是他們考慮問題時,基於定義域不同罷了。對於物質構成,還有一種假說“弦理論”,不過有人也翻譯成M理論。

弦理論認為所有的亞原子粒子都並非是小點,而是類似於橡皮筋的弦。與粒子類型的唯一區別在於弦振動的頻率差異。弦理論主要試圖解決表面上的不兼容的兩個主要物理學理論——量子力學和廣義相對論——並欲創造的描述整個宇宙的“萬物理論”。然而這項理論非常難測試,並需要對我們所描繪的宇宙進行一些調整,也即宇宙一定存在比我們所知的四維空間更多的時空維度。科學家認為這些隱藏的維度可能捲起到非常小以至於我們沒有發現它們。

大家都已經接受了物質是由粒子構成的,粒子學說則是認為所有物質是由只佔一度空間的“點”狀粒子所組成,在同學們認識裡,似乎這些點都是圓形的,其實這也只是一種物理模型而已,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,是此理論所根據的“粒子模型”卻遇到一些無法解釋的問題。比如,在靠近粒子的地方的引力會增加至無限大。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。更深的弦理論學說不只是描述“弦”狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。

真是由於微粒學無法解釋在靠近粒子的地方,為什麼引力會增大到無限,這是一種量子一樣跳躍。Gabriele Veneziano於是在1968年想要找能描述原子核內的強作用力的數學公式,然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年之久的歐拉公式(Euler's Function),這公式能夠成功的描述他所要求解的強作用力。然而進一步將這公式理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的“線段”卻是在不久後由Leonard Susskind(李奧納特·蘇士侃)所發現,這在日後則發展出“弦理論”。

弦理論最開始是要解出強相互作用力的作用模式,但是後來的研究則發現了所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反電子,正反中微子等等,以及四種基本作用力“粒子”(強、弱作用力粒子,電磁力粒子,以及重力粒子),都是由一小段的不停抖動的能量絃線所構成,而各種粒子彼此之間的差異只是這絃線抖動的方式和形狀的不同而已。

1990年代,愛德華·維頓提出了一個具有11 度空間的M理論,他和其他學者找到強力的證據,證明了當時許多不同版本的超弦理論其實是M理論的不同極限設定條件下的結果,這些發現帶動了第二次超弦理論革新。於是,物理學開始對物理學大統一思考,大家普通認為,旋理論研究最終會找到物質構成基本原理和自然界統一構成機制。

目前,描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論在根本上有衝突,廣義相對論的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾,這意味著二者不可能都正確,它們不能完整地描述世界。而除了引力之外,量子力學很自然的成功描述了其他三種基本作用力:電磁力、強力和弱力。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙以及應用到“黑洞”、“宇宙大爆炸”等需要同時用到量子力學與廣義相對論的極端情況,這還是未知數。

我們期待著弦理論成熟,也期待著關於這種理論間接實驗證明。不過目前,旋理論還只是一種假說 ,雖然能夠很好解釋一些物理現象,但是我們無法弄清旋理論一些基本定義域,他們與量子物理和相對論之間某些邏輯上聯繫,特別是他們在數學上處理,有一點偶然因素在裡面,歐拉公式恰如其分剛好滿足了對引力一種猜想,這是科學必然,還是剛好是一種偶然,希望科學發展會慢慢弄清這種偶然的背後因果關係,也為人類最終對物理大統一還原自然本質!

2018年11月26日於宜昌市夷陵區吾同齋


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