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宇宙隐藏在一根弦里吗?| 柴知道

柴知道  · 公众号  ·  · 2019-11-02 18:04

正文


万物隐藏在怎样的小宇宙里?这是爱因斯坦在生命的最后30年里,一直追寻的问题。他希望能找到一个包罗万象的理论,统一 引力、电磁力、强力、弱力 这四种自然力,描绘一切现有的物理规律。
很可惜,爱因斯坦并没有成功。至今为止,当代物理学还是建立在两套支柱理论—— 广义相对论 量子力学 ——之上。

是的,望子成龙的家长们已经开始给3岁宝宝买广义相对论和量子力学的读物了
但问题是,这两大支柱理论 在极端情况下出现了不可调和的冲突 。这就意味着,物理学家们必须找到一套更高层的理论,来调和二者的之间的冲突。
目前看来,最接近这一梦想的,就是 弦理论 了。
那么, 到底什么是弦理论呢? 凭什么说它有可能成为大一统理论?
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在了解弦理论之前,你需要以最简单的方式,来了解一下当代物理学的两大支柱理论:广义相对论和量子力学——别担心, 下面的内容很通俗,你一定能看懂。
先来看看 广义相对论 。物理学家恵勒曾经用一句非常简洁的话,概括了广义相对论的核心内容: “物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何运动”
在普通人看来,空间是看不见摸不着的。但在广义相对论中, 空间相当于一张巨大的、 平滑的 、有弹性的膜 。假如我们把一颗球放到这张巨大的膜上,膜就会凹下去。

凹下去的膜就相当于空间


在这个比喻中, 膜就相当于空间,球就相当于太阳、地球这些星球 。球这样的物质放到膜上,就会让膜变形,球越重,膜弯曲得就越厉害,这就叫 “物质告诉空间如何弯曲”。
而当空间这张膜弯曲以后,它也会 反过来影响球的运动轨迹 ,这就是 “空间告诉物质如何运动” 。在广义相对论中, 引力 的本质,就是这种空间的形变影响了物质的运动。

这张动图是对广义相对论最直观的展示


现在你知道了, 在广义相对论中,空间就相当于一张膜 。请记住: 这张膜是非常平滑的。
再来看看 量子力学
可能你听说过一个理论,叫做“海森堡测不准原理”,更准确的说法,叫做 “不确定性原理” 一个粒子的位置和速度,不可能同时被确定 。如果它的位置越确定,那速度的不确定性就越高;如果速度越确定,那位置的不确定性就越高。

这位就是海森堡了。微博大V @河森堡 说,他很崇拜海森堡,觉得他的知识就像大海一样渊博,而自己的知识相比之下只能算是一条小河,所以ID叫河森堡~

举个例子。假如你把一个电子装进一个盒子里,然后把这个盒子慢慢往里挤压,越挤越小,这时候, 电子在位置上的确定性就变高了 。但此时你会发现, 电子的速度会变得越来越不确定 :它会在盒子里疯狂冲撞,行动轨迹越来越难以预料。

不光微观粒子的位置和速度之间存在着关系, 能量和时间之间,同样存在着不确定性关系 如果考察时间足够短的话,那粒子的能量就会在短时间内疯狂地涨落起伏。
根据不确定性原理, 即使是看似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。

微观世界里疯狂的量子涨落

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。
好,还记得前面讲过的广义相对论吗? 在广义相对论中,空间是平滑的。 而在量子力学中,空间在微观尺度上是剧烈涨落的,根本就不是平滑的。 所以在超微尺度上,相对论和量子力学冲突了。

在量子理论中,空间在微观上是剧烈涨落的。 但在广义相对论中,空间是平滑的。


这个冲突,就是弦理论诞生的背景,也是弦理论需要解决的问题。
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那么, 弦理论是如何解决这个冲突的呢?
在我们的认知中,宇宙是由 点状的粒子 ——比如电子、质子——组成的。但弦理论认为,如果我们把这些基本粒子放大,用目前还达不到的超高精度去观察它们,就会发现,这些 粒子的本质,其实是一根根小小的弦 每个粒子,都好像是一根无限细的、一维的橡皮筋,在不停地震动。 宇宙就是由这样一根根震动的弦组成的。


好吧,反正我们也观测不到, 就算宇宙真是弦组成的,那又如何呢?
之前说过,在广义相对论中,空间是光滑的。 但在量子力学中,空间在微观上是剧烈涨落的。 而弦理论就可以缓和广义相对论和量子力学在超微尺度上的对立。
先来看个形象的例子。 假如你用手去抚摸一块精心加工过的花岗石,会感觉它特别光滑顺手,毫无瑕疵。 但如果你用放大镜去观察它的表面,就会发现它凹凸不平,有许多颗粒和坑洞,只是它们太小,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理论中的弦,那就意味着,如果一个东西比弦还小,就不会对弦产生影响,对于弦来说它就是没有意义的。
我们之前说过,量子力学和相对论的冲突,是在超微尺度时才发生的。但实际上 在这么小的尺度下,无论发生怎样的量子涨落,空间里有怎样的滔天巨浪,都影响不到弦。 既然影响不到整个宇宙中最小的基本单位,就更影响不到其他的各种事物了,所以我们根本就不用管量子力学和相对论的冲突,问题就这么解决了。


你肯定在想,这是在耍花招,这不是解决问题,而是在逃避问题。 还真不是。

因为我们想象的这种冲突,本来就是在粒子理论(标准模型理论)的基础上才会产生。但 如果我们换一套理论,把粒子换成弦,那这个问题在一开始就压根不会出现。
所以目前看来,弦理论或许可以提供一个大统一的框架,有可能成为解释万物的终极理论。当然, 它仍然只是个处于科学前沿的假说而已 但假若弦理论有一天真的被证实,那我们就可以说,万物真的隐藏在一根根弦组成的小宇宙里了。






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