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为什么爱因斯坦都解释不了的万物,《宇宙的琴弦》有可能解释?

2020/6/30 5:22:10 来源:光电神话 浏览:

爱因斯坦是人类历史上最杰出的天才之一,在他生命的最后30年,他一直希望能找到一个包罗万象的理论,用来描绘包括引力在内的各种自然力。不过很遗憾,爱因斯坦没能成功。其实所有的科学家,几乎都有这样的一个梦想,希望能找到一个基本的原理,一个简单而深刻的理论,来描绘宇宙间的各种现象。经过一代又一代科学家的努力,人类终于窥见了一点希望。这个有可能描述一切现象的理论,就是《宇宙的琴弦》这本书的主题:弦理论。

这是一本基本没有方程,用日常能够想象的例子类比、隐喻来介绍弦理论来龙去脉的经典科普。

作者布赖恩·格林,世界顶尖的物理学家,牛津大学物理学博士,哥伦比亚大学数学和物理学博士。他始终处于弦理论研究的第一线,对弦理论中空间形状和形态的研究做出过重要贡献。

一、弦理论的诞生背景

首先,我们来看一下现代物理学的两大支柱:一个是著名的爱因斯坦的相对论,另一个是是比较难理解的量子力学。

“相对论虽然艰深,但你只要认真读过爱因斯坦的文章,那就能看懂;但如果是量子力学的话,不好意思,没人能看懂量子力学。” ——量子力学的泰斗费曼

相对论和量子力学,是现代物理学的基础理论,是整个物理学大厦的地基。大到宇宙的膨胀,小到组成物质的微观例子,它们都能解释。这两套理论都能经受住无数次严格的检验,无论实验的精度多高,相对论和量子力学都能得到证实。

但是,作为人类历史上最成功的两大科学成就,在根本上是存在冲突的。这两套理论几乎水火不容,不可能同时正确。而弦理论就诞生,化解了两大理论的冲突。

1、爱因斯坦的相对论:物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动

在我们传统的认知中,空间是看不见摸不着的,但是在广义相对论看来,空间就像是一张非常巨大的、平滑的膜,就像家里的保鲜膜,而且这个膜是有弹性的。那我们将一颗球放在这个巨大的膜上,膜就会凹下去。

在这里,膜就相当于空间,球就相当于太阳、地球这些星球。这就是“物质会让空间弯曲”。而且物质越重,膜弯曲的就越厉害,如果物质的质量很小,这个弯曲的幅度就相对变小。这就是“物质告诉空间如何弯曲”。

当空间的这个膜弯曲以后,就会影响物质的运动。你可以想象一下,假如一张膜凹下去,那上面滚动的小球,运动轨迹就会受到影响。在牛顿的物理学中,地球围着太阳转,是因为“引力”的作用,但是牛顿无法解释引力是怎么来的。

而广义相对论就提出,引力的本质,就是这种空间的形变,它影响了物质的运动。所以地球绕着太阳转,是因为太阳弯曲了周围的空间,影响了地球的运动,这就叫“空间告诉物质如何运动”

2、很难看懂的量子力学:我叫测不准

量子力学有个经典的理论,就是不确定原理,这个原理的核心很简单,就是一个例子的位置和速度,不可能被同时确定。如果它的位置越确定,那么它的速度就越不确定;如果速度越确定,位置就越不确定。

举一个例子。假如有一个很大的盒子,这个盒子里面有一个电子,我们想把这个电子抓起来,接着就把这个盒子慢慢挤压,空间越挤越小,这个时候,电子位置上的确定性就变高了,但是与此同时,你会发现,这个电子越来越疯狂,在盒子里面到处乱撞,速度越来越大,也就是说,它的速度变得越来越不确定。

不光是电子,所有的微观粒子,如果我们把它限定在一个极小的空间区域内,这些粒子就会变得越来越疯狂,速度越来越难以确定,而且不光是位置和速度存在这样的关系,能量和时间之间也存在着这种关系,所以如果考察的时间足够短的话,粒子的能量就会在短时间内疯狂地涨落起伏。

根据这个不确定性原理,即使是看起来什么都没有的一片空间,如果我们把视野缩小,就会发现那里也有大量的活动。所以在量子力学里,宇宙在微观尺度上是一个混沌的、疯狂的世界。引力场在微观尺度上也会因为量子涨落而波荡起伏,而且我们关注的空间越小,这种起伏就越大。

讲到这里,相对论和量子力学的矛盾,就逐渐显露了。在广义相对论里,宇宙空间像一张巨大的膜,虽然物质可以使它弯曲,但是空间还是很平滑的。

但是在量子力学里,宇宙空间在微观尺度上是剧烈涨落的,根本不是平滑的。所以在超微尺度上,相对论和量子力学冲突了,这个冲突,就是弦理论诞生的背景,是弦理论需要解决的问题。

二、弦理论的特别之处

古希腊人认为,所有的物质都是由粒子构成的,他们把这种粒子叫做原子,很小又不可分割。今天我们知道了,原子下面还有质子、中子、电子、夸克、中微子等等粒子。总之,在弦理论出现以前,人们普遍认为,物质是由这些像一个个点一样的粒子所构成的。不仅如此,宇宙中的各种力,包括电磁力、强力、弱力,也跟各种粒子有关,我们把这套用例子来描述各种事物的理论,叫做“标准模型理论”。

1、“弦”究竟什么样?

弦理论彻底改变了这副图景,弦理论认为,我们的宇宙不是由点状的粒子组成的,而是由一根根震动的环状的弦构成的。每个粒子都好像是一根无限细的、一堆的橡皮筋,在不停的振动,粒子之间的区别是因为各自的弦在经历着不同的共振模式。

当然,这些弦非常非常小,平均长度大概就是普朗克长度(大约是原子核的一万亿亿分之一,小数点后面19个零),以我们目前的观测技术来看,它就是个点。

不同的基本粒子实际上是在同一根基本弦上弹出的不同“音调”,由无数这样振动着的弦组成的宇宙,就像一个伟大的交响曲。这就是弦理论最为核心的地方,也是最特别的地方。

弦理论的雏形是在1968年由Gabriele Veneziano弦理论发现。他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学公式,然后在一本老旧的数学书里找到了有200年之久的欧拉公式(Euler's Function),这公式能够成功的描述他所要求解的强作用力。

然而进一步将这公式理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”却是在不久后由Leonard Susskind(李奥纳特·苏士侃)所发现,这在日后则发展出“弦理论”

按照弦理论:一个基本“粒子”的性质,它的质量和不同的力荷,是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。弦的振动模式则是识别每个粒子的“指纹”。

琴弦能产生的共振模式。共振波的峰谷数目正好能满足弦的两个端点间的距离

2、弦与粒子质量的关联

弦的某个振动模式的能量取决于振幅和波长,振幅大和波长小的,能量较大。这与我们的直觉是一样的,振动越疯狂,那个模式的能量就越大。从狭义相对论我们知道,能量和质量是一枚硬币的两面,大质量意味着大能量,那么依照弦理论,基本粒子的质量决定于内在弦的振动模式的能量,质量较大的粒子所具有的弦振动较剧烈,质量小的粒子所具有的弦振动较轻柔。

疯狂的振动模式比轻柔的振动模式有更大的能量

虽然弦理论远离了以前没有结构的基本粒子的概念,但旧的语言很难消失,特别在最微小的距离尺度上,过去的“标准模型理论”还是提供着准确的描述。但是标准模型理论有一个遗憾:虽然它能准确描述四种基本力中的三种,也就是电磁力、强力和弱力,但是却解释不了引力是怎么回事。

但是弦理论不同,如果我们把粒子换成弦的话,就可以发现,在某个特别的振动模式之下,刚好可以产生一种质量为0的粒子,就是科学家所期待的“引力子”。

弦理论比标准模型理论具有更高的统一性,更接近一个终极理论。它能解释粒子的性质,也能解释引力。虽然目前还不能确定弦理论就是对的,但它所提供的大一统的框架,的确很吸引人。

3、弦理论是如何缓解相对论和量子力学矛盾的?

刚才谈到,在广义相对论中,空间和时间是平滑的、弯曲的,但是在量子力学中,空间在微观上是剧烈涨落的。我们来看看弦理论到底是怎么解决这个矛盾的。

我们来看一个形象的例子,假如你面前放着一块精心加工过的花岗石,你用手去摸它,会感到特别光滑顺手,没有一点瑕疵,但如果你用放大镜或者显微镜去观察它的表面,你就发现,花岗石的表面是凹凸不平的,有许多颗粒和坑洞,只是这些颗粒太小,用手根本感觉不到。

在这个例子中,花岗石表面的小颗粒,手感觉不到,因为它已经超出了手的感知范围,对于手来说它是没有意义的。同样的道理,如果我们把手换成弦的话,那就意味着,如果一个东西比弦还小,对弦都产生不了影响,那它对于弦来说,也是没有意义的。

在弦理论中,组成物质的最小单位,就是弦。弦的平均长度,就是普朗克长度。如果一块空间比普朗克长度还小,那不管里面发生些什么,都不会影响到弦。而量子力学的冲突,就是在普朗克尺度以下发生的,所以我们根本不用管在普朗克尺度以下才会出现的量子力学和相对论的冲突,问题就这么解决了。

也许你在想,这根本就是在耍花招,这不是解决问题,而是逃避问题,还真的不是。因为我们想象的普朗克长度以下的冲突,本来就是在标准模型的理论基础上才产生的,而在标准模型理论中,构成各种物质的是粒子,但是如果我们换了一套理论,粒子换成弦,这些问题就不存在。

因为,在标准模型中,空间是可以不限分割的,要多小有多小,没有极限,但是在弦理论中,空间只能小到弦的长度,不能再小了。这就相当于改变了整个游戏规则,广义相对论和量子力学在新的规则之下可以和谐共处。

在弦理论看来,宇宙的基本组成结构不是点状的粒子,而是不停振动的弦。通过弦理论,我们可以解释粒子是如何产生的,能够把四大基本力囊括到一个框架里,还可以缓解量子力学和广义相对论之间的冲突。所以目前看来,弦理论可以提供一个大一统的框架,有可能成为解释万物的终极理论,这是它最特别的地方。

三、弦理论能够推翻哪些认知?

毫无疑问,弦理论动摇了现代物理学的基础,让我们对空间的理解发生了变化。弦理论所描绘的宇宙,跟传统观念中的宇宙也不一样。

1、 宇宙不止四个维度

在传统看来,我们的宇宙是3个空间维度加上一个时间维度。宇宙间在任何时间地点发生的事,都可以用这四个维度来确定,但是随着弦理论的发展,科学家逐渐发现,宇宙好像不止4维,而是有11维,应该是10个空间维度,加上一个时间维度,只是有些维度蜷曲起来了,我们感受不到。而我们体验的宇宙只是11维空间中的一个四维面。影片《星际穿越》当中也体现了这种理解。

1919年,一个无名的波兰数学家,来自柯尼斯堡大学的卡鲁扎(Theodor Kaluza)却敢向显然的事实挑战——他提出,宇宙也许不只有3个空间维,而是有更多。1926年,瑞典数学家克莱茵(Oskar Klein)把它说得更具体和明确,那就是:我们宇宙的空间结构既有延展的维,也有卷缩的维。

举个例子看一下,那些我们感受不到其他维度的存在。假如在花园里有一根长长的水管,这根水管无限薄,又很细,上面有一只蚂蚁在爬。如果我们离得远一点,这水管我们看起来就好像是一根线,是一维的。如果我们要描述蚂蚁的位置,那只需要一个维度就行了,就是看它离水管的起点有多远。

如果我们凑近了看,就会发现,其实这个水管还是有粗细的,蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬,它也可以在水管上转圈。转圈的那个方向,也是一个维度。所以,如果要精准描述蚂蚁的位置,我们需要知道两个维度,一个长长的那个一维,还有一个是绕圈的那一维度。

(a)从远处看,花园的水管就像是一维的 (b)走近来看,水管的第二维就显现出来了,就是环绕管道维度

在弦理论看来,我们的宇宙也跟这跟水管差不多,我们感受到的那3个空间维度,是展开的,就相当于水管上长长的那个维度,剩下的维度,就是水管上绕成圈的那一维,它蜷曲起来了,而且蜷曲的特别小,可能只有普朗克长度那么点大,所以我们注意不到,但这并不代表这些维度不存在。

当然,11维的理论来源,也是通过数学计算推导出来的,科学家目前还没有办法通过观察来进行验证。

2、 弦理论让黑洞变得匪夷所思

再来看看黑洞。如果我们用弦理论来看黑洞的话,会发现更多匪夷所思的情况。

在一般人的想象中,黑洞和基本粒子,是完全没有联系的两种物体,黑洞是质量极大的巨无霸天体,粒子是质量极小的小不点,但有物理学家提出,黑洞和基本粒子有很相似的特征,就像粒子一样,如果任何两个黑洞有相同的质量、力荷和自转,那它们就是完全相同的,这跟基本粒子是一样的。

所以有科学家提出了一个猜想:说黑洞本来就是一个巨大的基本粒子。但如果要研究这个问题,就会碰上质量极大、尺度极小的问题,要面临量子力学和广义相对论的冲突,所以一直没有进展。

而随着弦理论的发展,科学家们真的在黑洞和基本粒子间建立起了一个无懈可击的联系,发现黑洞和基本粒子就好像是冰和水一样,是同一种物质的不同存在方式。

当然了,黑洞还有很多未解之谜,从弦理论的视角来看,这些谜题也可能存在着非常神奇的解释。比如包括霍金在内的科学家曾经都认定,所有的物质和信息,一旦掉进了黑洞,就永远地消失了。但后来霍金承认,根据弦理论对黑洞的最新认识,这些信息有可能储藏在黑洞的某种特殊的高维膜里,还可以从那里被还原。

在弦理论看来,我们宇宙的空间不是3维的,而是10维的,只是其中的3个维度展开了,而另外的维度是蜷曲的,但这些维度都会影响弦的运动。此外,弦理论还在黑洞和基本粒子之间建立了联系,也推动了科学家们对于黑洞和宇宙大爆炸的其他研究。总之,弦理论会让人类对宇宙的认识产生重大变化。

最后的话

当人们考虑同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,音乐的幻想成了惊人的现实,因为这个理论认为,微观世界里到处是小小的琴弦,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,变化的劲风吹遍了一个充满琴弦的宇宙。

21世纪最伟大的理论之一,弦理论化解了量子力学和相对论之间的冲突,是最有可能成为描述万物的“万有理论”。

人类对于理论的追求,很多时候是源自于这样一种世界观:就是宇宙间的所有现象,在根本上,都可以用一个和谐的、统一的、完美的理论来进行解释,这个想法可能永远无法得到证明,但它是深存于人类心底的一种美学追求,一个坚定的信念。

看看网友怎么说

似曾相识5210:设办法,外来的和尚会念经。现实就是这样,富人吃肉叫有福,穷人吃肉叫没出息。美国的月亮比中国圆,比中国的美,,,,,,。屠夫行千里可以行医?

傲笑江湖15:越讲越弦

用户2137876077012:意识是灵魂的外延。物质肉身是灵魂的载体,是困守灵魂的扭曲空间,灵魂的意识外延又能扭曲物质肉身在所的空间,表现为灵魂的吸引力(抗拒力)。 磁铁内一定是有类似灵魂的“灵质”,这是磁铁具有吸引力(排斥力)的根源,这吸引力(排斥力)也是磁铁“灵质”对周围空间扭曲所产生的作用。

无中生万物:爱因斯坦不过是一群蚂蚁里面比较聪明的一只,,,

用户8790010968324:黑洞是不是暗物质?如果所有的一切都是弦能解释,那么弦与弦之间的关系就是科学所研究的对象,也许史前人类比我们研究的更深,他们所留下来的阴阳八卦能给人类更多启迪

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