宇宙的琴弦:别让弦理论的名字骗了,其实它本身也由原子构成!

当人们考虑与宇宙有关的一些问题时,音乐总是我们选择的方向。从毕达哥拉斯古老的“天球的音乐”到“自然的和谐”,千百年来一直引导着我们去追寻天体平和运行的天然乐音和亚原子粒子混沌的喧嚣。自超弦理论发现以来,音乐的世界成了惊人的现实,因为这个理论认为,微观世界里到处是小小的弦,它们不同的振动便合奏出宇宙演化的交响曲。根据超弦理论,变化的微风吹遍了整个宇宙。

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另一方面,标准模型却把宇宙的基本组成看做一点一点的没有内部结构的粒子。虽然这个方法很有力量(标准模型提出的几乎每个微观世界的预言在百亿亿分之一米的尺度上都得到了验证,那已经达到今天的技术极限了),却成不了完备的或最后的理论,因为它没有包括引力。而且,把引力囊括进它的量子力学框架的尝试也都失败了,原因是在超微尺度下,也就是在小于普朗克长度的距离下,空间结构将出现剧烈的涨落。

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这个未解决的矛盾激励着人们去寻找一个更深的自然理论。随后,格林(MichaelGreen)和施瓦兹(John Schwarz)提出了第一个令人信服的证据,说明超弦理论(或简称为弦理论)可能是我们寻找的那样东西。

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弦理论革命性地修正了我们对宇宙超微观性质的理论描述,物理学家慢慢发现,那修正正是我们需要的,它使爱因斯坦的广义相对论与量子力学完全相容了。根据弦理论,宇宙的基本构成要素不是点粒子,而是有点儿像细橡皮筋的上下振动着的一堆丝线。不过,别让这名字给骗了,它不像一根普通的弦,它本身也由分子和原子组成,弦理论的弦被认为是深藏在物质核心里的。根据理论,弦是构成原子的粒子的超微观组成元。弦理论的弦小得可怜,平均大约是普朗克长度的尺寸,所以即使用我们最灵敏的仪器来检查,它们也显得像点一样。

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不过,简单地用弦来代替点粒子作为万物的基元,能得到很多很远的结果。第一点,也是最重要的一点,弦理论似乎解决了广义相对论与量子力学间的矛盾。我们将看到,弦在空间延展的本性,是把两个理论结合到一个和谐框架里来的一个关键的新要素。第二点,弦理论提供了一个真正的统一理论,因为所有物质和力都来自同一个基元:振动的弦。最后一点,那就是,除了上面提到的成绩,弦理论又一次极大变革了我们对时空的认识。


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