03.02 標準粒子模型的瓶頸,“無窮大”,需要離經叛道的詭異理論來解決

在目前標準粒子模型中,物質的最基本單元是夸克,然後加上各種玻色子以及輕子,共同構成了我們常見的物質,以及他們相互之間的作用力。但是這中間唯獨不包含引力,可能有些人會覺得,整套粒子理論少考慮一個引力,那怎麼能夠正常處理那些量子問題呢?其實引力與其他三種基本力比起來是相當弱的。生活中就有簡單的例子,把一個塑料梳子在衣服上蹭一蹭,然後就可以把碎紙屑吸起來,輕鬆蓋過了地球這麼大質量的物體產生的引力,可見引力是有多弱。所以在基本粒子實驗中,是完全可以忽略引力影響的。

標準粒子模型的瓶頸,“無窮大”,需要離經叛道的詭異理論來解決

夸克


其實這四種基本力的強弱排序是:強力>電磁力>弱力>引力。弱力的名字雖然叫弱力,它是相對強力來說的,事實上引力比它弱得多。只有研究宇宙學問題時,才需要考慮引力問題。雖然處理量子問題時,往往不用考慮引力,但是作為“大統一理論”,這顯然是不完美的。說明這套理論,並不能適用於所有場景,例如“奇點”這種既大又小的場景。同時,這套理論還無法解釋,那個因為引力而引出的暗物質到底是什麼。

暗物質是由完全未知的基本粒子構成,它不屬於標準模型中的任何一種。它他類似的,有由於宇宙膨脹引出的暗能量,也是無法用現在的標準模型來解釋的。剛才說的都是標準粒子模型表象上的問題,其實它的底層最根本的問題是:這種“點粒子”在理論計算的時候,經常會遇到無窮大問題。任何理論物理只要一碰到無窮大,物理學家就開始腦殼疼,因為它在現實中解釋不通啊。

標準粒子模型的瓶頸,“無窮大”,需要離經叛道的詭異理論來解決

太陽系的萬有引力

例如,可以把電子看作點粒子,但是當把電子看成一個點的時候,電子到其自身的距離就是零,根據“庫侖反比定律”,引起電磁場變化的電子感受到的場強就變成了無窮大,這樣電磁場的能量也就變成了無窮大。根據質能方程,這部分的能量轉換成的質量也是無窮大;然後加上電子本身的質量後,電子的總質量就成了無窮大。這顯然是不可能的。

解決這個問題有兩種方式,第一種就是認為電子的大小不為零,但是電子的大小是個飄忽不定的東西,電子的半徑只有測量值,但是你測量的結果,並不是他真正的大小。當然還有其他一些問題,總之就是這個方式不好用。

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暗物質假想

然後人們想到了第二種方式,根據“電子的總質量=電場能量+電子固有質量”,那如果想辦法把電子的固有質量看做負數,是不是就能抵消掉的部分質量,從而讓電子總質量趨於一個合理值。這個方法聽起來是不是有點掩耳盜鈴的感覺,但這個思路卻是理論物理中非常有用的方法,它叫“重整化”。比如那個著名的等式,1+2+3+……=-1/12,這就是一個把無窮大重整化為一個有限數的非常有用的工具。弦理論的二十五維空間和超弦理論的9維空間,都是利用這個公式計算出來的。

標準粒子模型的瓶頸,“無窮大”,需要離經叛道的詭異理論來解決

電子模型

回到剛才電子質量的問題,重整化確實能夠在一定程度上解決問題。但它實際是把當前這層無窮大的問題推遲到了更加微觀的層次上。這個問題本身,並沒有得到徹底的解決。那最終能推遲到什麼程度呢?當需要同時考慮量子力學和廣義相對論的時候,就會出現重整化,也無法處理的微觀世界的終點。這塊兒稍微比較抽象了。說白了就是這條路。雖然現在能走通,但是最終還是個死衚衕。所以說,這兩種方法都不行!那就需要弦理論登場了,這個離經叛道的詭異理論。


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