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通俗科普弦理論和M理論,我們的宇宙是十一維度的?

弦理論講述的是什么?如果你在大街上隨便采訪一個(gè)人,十有八九都不了解。即便有了解的,基本上也只是聽(tīng)說(shuō)過(guò)而已,很難比較深入地了解弦理論到底是一個(gè)什么樣的理論。對(duì)于普通人來(lái)講,弦理論太深?yuàn)W了。

喜歡科幻電影和小說(shuō)的伙伴們,應(yīng)該在電影小說(shuō)里看過(guò)關(guān)于弦理論的相關(guān)故事情節(jié),但一般這種情節(jié)都比較燒腦,不太容易理解,特別是弦理論還需要借助一些數(shù)學(xué)工具才能更準(zhǔn)備地描述出來(lái)。

弦理論是我們認(rèn)識(shí)世界的一種方式,主要是關(guān)于“宇宙萬(wàn)物到底由什么組成的?”。以前人們認(rèn)為最小的結(jié)構(gòu)單元是原子,后來(lái)發(fā)現(xiàn)了更小的電子,質(zhì)子,質(zhì)子下面還有夸克。但是還有沒(méi)有比夸克更小的結(jié)構(gòu)單元呢?

目前的科學(xué)理論(粒子標(biāo)準(zhǔn)模型)認(rèn)為,電子,夸克等粒子都是基本粒子,它們是不能再分的。

不過(guò)弦理論認(rèn)為,宇宙萬(wàn)物都是由最基本的弦組成的,弦在不停地振動(dòng),就像一根振動(dòng)的橡皮筋那樣,弦理論可以詮釋很多種物理學(xué)現(xiàn)象。

在物理學(xué)上,電子夸克等基本粒子是沒(méi)有結(jié)構(gòu)的,在數(shù)學(xué)上可以看作是一個(gè)點(diǎn)。但如果是這樣,問(wèn)題就來(lái)了:同樣的一個(gè)點(diǎn),為什么可以表現(xiàn)為不同的基本粒子?有時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)夸克,有時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)電子或其他基本粒子?

為什么簡(jiǎn)單的一個(gè)點(diǎn)可以表現(xiàn)出如此豐富的物理信息呢?

為了詮釋這種問(wèn)題,在20世紀(jì)70年代,一種前沿的理論,弦理論誕生了。根據(jù)該理論的詮釋,組成宇宙萬(wàn)物的基本單元并不是像夸克電子這樣的基本粒子,而是像弦一樣不斷振動(dòng)的東西,一維的東西。弦不同的振動(dòng)模式(比如說(shuō)振動(dòng)頻率)就會(huì)表現(xiàn)出不同的粒子。弦理論剛提出了,就引起了很大的轟動(dòng),引起了很多理論物理學(xué)家的極大興趣。

振動(dòng)的弦,也分為兩種形式,一種是開(kāi)放的弦,稱為“開(kāi)弦”,就像線段一樣,有兩個(gè)端點(diǎn)。另一種是閉合的弦,就像圓圈一樣。弦理論認(rèn)為,傳播引力的引力子就是由閉合的弦組成的。

弦理論的誕生具有一定的偶然性和必然性,下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)弦理論誕生的背景。

在弦理論誕生之前(實(shí)際上至今仍是如此),科學(xué)家們一直渴望找到一個(gè)物理學(xué)界大統(tǒng)一理論,能夠完全描述自然界四種基本作用力(強(qiáng)力,弱力,電磁力,引力)。

通過(guò)不斷地努力,前三種力,強(qiáng)力弱力和電磁力終于能夠統(tǒng)一了,但唯獨(dú)引力被排除在外,科學(xué)家們一直沒(méi)有找到引力子,目前關(guān)于引力子的概念都是一種假設(shè),科學(xué)家們并沒(méi)有在大型粒子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)引力子的存在。于是科學(xué)家腦洞大開(kāi),提出了弦理論(當(dāng)然過(guò)程就不是如此簡(jiǎn)單,這里只是簡(jiǎn)單描述),最先提出弦理論的是物理學(xué)家韋內(nèi)齊亞諾。

隨著弦理論的發(fā)展,出現(xiàn)了不同模式的弦理論,有多達(dá)五種弦理論。但我們都知道,描述大自然的理論應(yīng)該是唯一的,不可能有兩個(gè)不同的理論去描述大自然運(yùn)行規(guī)律。

到了上世紀(jì)八九十年代,一個(gè)科學(xué)家站了出來(lái),它就是愛(ài)德華威滕,創(chuàng)建了史無(wú)前例的M理論,統(tǒng)一了之前的物種弦理論。

這里的M道理是什么意思呢?有人說(shuō)是Magic(謎),有人說(shuō)是Master,其實(shí)這些都不對(duì)。M并沒(méi)有什么非常特殊的物理學(xué)含義,它只是威騰的首字母W反過(guò)來(lái)寫而已。

最開(kāi)始的弦理論必須是嚴(yán)格的九維度空間加上一維時(shí)間,這樣它才是自洽的,否則就不成立。而M理論則不然,它認(rèn)為宇宙是十一維度的,十一維度理論是超引力理論,該理論中存在一個(gè)非常特殊的解,而這個(gè)解的根本并不是一維度的弦,而是二維的膜,就像一張紙那樣,一張紙(膜)卷曲到非常微小的程度,就變成了一維的弦。

所以,M理論的提出開(kāi)啟了弦理論的二次革命,認(rèn)為弦也可能不是自然界最基本的單元,而膜才是最根本的單元。

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