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    超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

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      爱因斯坦

      前言

      我们生活的世界是由什么构成的?古往今来的哲学家们和科学家无数次尝试给出答案,这个问题可以说是人类的终极之谜。

      众所周知,每一种物质都是由原子构成的,原子则是由更小的电子等基本的微观粒子构成。超弦理论却认为,基本粒子的真面目是一段很小很小的线状的“弦”,宇宙中的一切物质都是由弦构成的。因此超弦理论的研究被认为和“支配整个宇宙的法则”直接相关。

      此外,科学家以超弦理论的研究为基础提出了一些令人震惊的预言,比如“我们生活的世界实际上是9维空间”“空间也许是一种幻象”等。这些预言究竟意味着什么?下面让我们一起踏上超弦理论的探索之旅吧。

      什么是超弦理论?

      “物质都是由原子构成的”,这可以说是科学给出的最重要的知识之一。正因为知晓了这一点,人类对自然界的认识才有了飞跃性进展。毫不夸张地说,从智能手机等IT产品到治疗各种疾病的药物,支撑现代社会的科学技术几乎都是“世间万物由原子构成”这一事实的实际应用。弄清楚自然界所用“零件”都是些什么,这在科学上极为重要。

      超弦理论认为“弦”是自然界最小的零件

      我们已经知道,原子是由更小的电子等“基本粒子”构成的。基本粒子是不可再分割的自然界中最小最基本的单位。而尚未完成的超弦理论却认为,基本粒子的本质是很小很小的“弦”。如果超弦理论正确的话,那么,无论你手上拿的杂志,还是你的身体,甚至宇宙中的一切物质最终都可以说是“弦的集合”。而且,太阳发出的光在本质上也会是弦。基于上述理由,超弦理论也被称为“万物理论” (theory of everything,TOE),理解了超弦理论,就有可能揭示“支配整个宇宙的法则”。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      弦为什么是自然界最小的单位?

      为什么超弦理论会认为弦是自然界的最小单位呢?在描绘电子等基本粒子时,通常会把它们画成有大小的“球”,包括本杂志的插图也是如此。不过,基本粒子物理学的理论却认为,基本粒子是没有大小的“点”。换而言之,像电子这样的基本粒子的直径是零。由于无法在纸上画出大小为零的点,所以我们通常只能用有大小的球来表示。研究发现,如果把基本粒子当做大小为零的点(0维物体)来计算引力强度的话,就会产生无法处理的“无穷大”,从而不能得到具有物理意义的结果。这一点将在下文详细介绍。因此,科学家就想到了只有长度(1维物体)的弦。也就是说,弦并非我们日常见到的具有粗细的线那样的物体,而是粗细为零。

      超弦理论尚未完成

      “量子论”和“相对论”是现代物理学的两大支柱理论。量子论是研究基本粒子等微观物质运动规律的理论,可以说是关于自然界“演员”的理论。广义相对论则是研究空间、时间和引力的理论,可以说是关于自然界“舞台”的理论。但是,物理学家并不满足于存在两个基本理论的现状,试图创建一个统一量子论和广义相对论的“终极理论” (术语称为“量子引力理论”)。超弦理论是最有希望成为终极理论的理论。如果把基本粒子当作弦的话,则好像能够找到将量子论和广义相对论结合到一起的“旁证”。不过,超弦理论至今仍未完成, “基本粒子的本质是弦”这一观点也并未得到实验证实。目前,物理学家正在积极开展深入研究,旨在尽早完成这一理论。

      超弦理论预言的令人震惊的世界观

      超弦理论提出了颠覆我们世界观的各种预言。本特辑将对此进行详细介绍,在摘要里先介绍其中的部分内容。我们生活在一个拥有长、宽、高的3维空间里。不过,超弦理论却认为这个世界是“9维空间”。为此,科学家提出了一个假说:在我们肉眼看到的3维之外,其他6个维度卷曲到极小并隐藏了起来。那么, “维度卷曲到极小”究竟是什么意思呢?此外,也有假说认为,我们生活的3维空间就像漂浮在高维空间里的膜(D膜)。之所以用任何显微镜都无法观测到高维空间,可能是因为所有物质和光都吸附在膜上而不能向高维空间移动的缘故。如果真是这样的话,隐藏的维度即使不卷曲到极小,我们也完全察觉不到它们。这一假说称为“膜宇宙”。近年来,基于超弦理论而提出的预言“空间也许是一种幻象”受到了广泛关注。即我们生活的世界(3维空间)实际上也许是类似于计算机显示屏的2维世界。这一观点称为“全息原理”,是目前超弦理论最热门的研究课题之一。超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      我们生活的世界是漂浮在高维空间的膜?

      下面的图片是“膜宇宙”假说的示意。图片降低了1个维度,用2维的膜(D膜)表示我们生活的3维空间,并画出了其中的原子。平面之外是高维空间。物质和光等吸附在D膜上,无法移动到高维空间。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      空间只是一种幻象?

      下面的图片是基于“全息原理”的世界观示意。我们生活的世界是3维空间,存在引力。但也有假说认为,这个世界实际上也许是2维的,并不存在引力。目前,这一假说备受关注。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      有了以上的预备知识,我们可以进入正题了——超弦理论

      第一部分——“物质由弦构成“

      1.基本粒子

      构成物质的基本粒子有十二种之多

      我们知道, 电子、上夸克、下夸克这3种基本粒子是原子的最小零件(下图)。上夸克和下夸克是构成原子核中的质子与中子的基本粒子。不过,自然界中的最小零件并非只有这些,而是存在更多种的基本粒子(下图表)。与电子类似的“伙伴”称为“轻子”,共有6种。其中的3种是称作“中微子”的基本粒子。中微子的质量远远轻于其他基本粒子,甚至能轻松穿过地球,是幽灵般的基本粒子。实际上,宇宙中存在数量极其庞大的中微子,它们形成于太阳等恒星发生的核聚变反应以及宇宙诞生时的大爆炸等,遍布整个宇宙。但由于中微子与物质(原子)几乎不发生相互作用,而是穿越而过,所以并不会对我们的生活产生影响。 

      电子和夸克也有“重量级的伙伴”

      电子、电中微子、上夸克和下夸克被称为“第1代”基本粒子。此外,它们还各自存在与其性质几乎完全相同但质量不同的2种基本粒子,分别称为“第2代”和“第3代”。不过,相当于电子与考克“伙伴”的第2代和第3代基本粒子在自然界中极其罕见。尽管从宇宙深处降临的高能放射线“宇宙线”与地球的大气相撞时,也会暂时生成这些基本粒子,但它们很快就会衰变成较轻的基本粒子,因此在自然界中几乎不存在。科学家通常借助于“加速器”等实验装置来人为生成这些粒子,从而进行研究。综上所述,我们了解到构成物质的基本粒子“伙伴”共有12种(不过,数量因计算方法而异,参见下文)。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      注: 上图中的每种夸克分别用3种颜色(红、绿、蓝)来表示,颜色代表着夸克的“色荷”。色荷是与电磁力中的电荷相对应的概念,是产生“强力”的根源。强力是把夸克结合到一起、形成质子和中子的作°用力。例如,即使是同一种上夸克.也有红、绿、蓝3种色荷(如果考虑到色荷的话,则有18种夸克,那么构成物质的基本粒子共有24种)。不过,夸克并非真的带有颜色。红光、绿光和蓝光混在一起会变成白色,由于与之具有相似的性质,夸克的这一特征被称为“色荷”。质子等由多个夸克聚集而成的粒子(强子)具,有色荷在整体上一定是白色的这一性质。例如,质子必定由分别具备红、绿、蓝色荷的3个夸克构成。与之对比,电子的“伙伴”(轻子)却没有色荷,不发生强相互作用。解释强力的理论称为“量子色动力学”。  

      如果包括”影基本粒子“在内,基本粒子的种类会更多

      实际上,构成物质的基本粒子还有更多,每种基本粒子都有一个“搭档”,即所谓的”影基本粒子”。影基本粒子被称为“反粒子”,其特征是质量等性质与原有基本粒子相同,但电性(电荷)正好相反。例如,电子的反粒子是“正电子” (也称反电子)。正电子的质量与电子完全相同,但电性与电子相反,带正电荷。

      粒子与反粒子相遇便会一起消失

      一个粒子与其反粒子相撞的话,它们的质量会全部转化为光子(光的基本粒子)等的能量而消失,这被称为“湮灭”。宇宙线与大气相撞时或伴随着打雷等,在自然界中也能生成反粒子,但它们很快就会与空气等相撞,发生湮灭而消失。此外,还存在“传递力的基本粒子” (将在第2部分详细介绍)和赋予基本粒子质量的“希格斯粒子”等,以及大量在理论上预言存在但尚未发现的基本粒子(将在后续部分介绍的“超对称粒子”等)。所有基本粒子加在一起总共有几十种。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      反粒子是向”过去“行进的粒子

      物理学认为,粒子与搭档的反粒子的质量完全相同。例如,科学家开展过测定质子与其反粒子(反质子)质量的实验,但并没有找到两者质量不同的证据,而是发现两者的质量在极高的精度上一致。不过,如果仔细考虑我们就会发现,与另一种粒子拥有完全相同的质量是一件多么不可思议的事情。因为即便是同卵双胞胎,他们的体重也不可能在“克”这一单位上完全相同。实际上,也有观点认为反粒子是“粒子向过去行进的产物”。例如,正电子可视为向过去行进的电子。这样考虑的话,正电子拥有与电子完全相同的质量则可以说是 一件理所当然的事情。

      有可能利用反粒子“与过去通信”吗?

      在下图所示的磁场中,电子逆时针旋转。这是因为运动的电子总是受到来自磁场的向旋转中心方向上施加的作用力(洛伦兹力),运动方向发生改变所导致的现象。在同一个磁场中,正电子的旋转方向与电子正好相反,呈顺时钟旋转。这是因为正电子的电性与电子相反,受到磁场的作用力也相反的缘故。如果时间倒流再观察正电子运动的话,则会发现与电子的运动是一致的(看上去逆时针旋转),换而 言之,正电子可视为向过去行进的电子。如果说反粒子是向过去行进的粒子,那么,可以在反粒子上搭载信息发送到过去吗?也就是说,把反粒子用于“与过去通信” ?如果能实现的话,就可以把今天的彩票结果告诉昨天的自己而大赚一笔了。令人遗憾的”是,这根本无法做到。说到底,我们看到的不过是“向未来行进的反粒子”罢了,反粒子并没有携带着来自未来的信息。还是放弃试图改变过去这一想法为好。在超弦理论中,也认可“反粒子可以视为向过去行进的粒子”这一观点。 

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      2.弦

      在超弦理论中,弦是宇宙中唯一的”原材料“

      包括理论预言存在的基本粒子在内,构成物质的基本粒子多达几十种。也许有些读者会觉得:“好像有点太多了吧…实际上,在20世纪五六十年代也出现过类似的情况。科学家通过观测宇宙线和加速器实验(让加速运动的粒子相撞,从而观测其反应的实验)发现了许多与质子和中子相似的粒子(强子)。当时,科学家认为质子和中子是“物质的最小单位” (基本粒子),把新发现的大量粒子也当成了基本粒子。然而,“有这么多的基本粒子,是不是很奇怪啊?”的观点越发强烈。后来的研究发现,这些粒子是由种类更少的夸克聚集而成,是复合粒子而非基本粒子。 

      超弦理论的“弦”与弦乐器的“弦”相似

      基于类似的理由,超弦理论认为,所有基本粒子都是由同一种弦构成的。超弦理论的观点与弦乐器的机制非常相似。弦乐器可以通过改变弦的振动方式而从同一根弦发出各种不同的音调。同样,超弦理论认为,基本粒子的性质差异也是因弦的振动模式不同而产生的。我们看到的基本粒子的质量等性质不同,其实就是弦的振动不同。 

      弦的粗细为零,可伸缩,断开或是连接在一起

      超弦理论所提到的“弦”到底是什么呢?如前文所述,弦是粗细为零的1维物体。换而言之,弦的断面是大小为零的点,断面面积是零。因此,超弦理论的弦与我们在日常生活中看到的细绳和琴弦等截然不同。橡皮筋是由橡胶分子聚集而成的,裁缝使用的丝线是由纤维聚集而成的。与之相比,超弦理论的弦被认为是自然界的最小单位,因此它并不是由比其本身更小的“某种东西”构成的,也就根本不存在“弦的原子”。不过,一根弦可以分裂为两根。而且,两根弦也可以结合为一根。一根弦的两端也可以连接在一起,变成圈状的弦。圈状的弦称为“闭弦”,有两个端点的弦称为“开弦”。

      弦以超出我们想象的速度剧烈运动

      弦可以伸缩。在这一点上,与裁缝用的丝线相比,可以说更接近于橡皮筋。不过,如果把拉伸弦的拉力换算成质量的话,大约有10″吨那么重。在物理上,我们称为弦拥有极为巨大的张力。另外,与橡皮筋不同,弦即使伸长了,拉力也不会变化。此外,弦在以极快的速度旋转或振动。例如,在典型的弦振动中,其端点的振动速度高达自然界中的最大速度光速(每秒30万千米),每秒的振动次数更高达102次左右。弦是一种以超出我们想象的速度剧烈运动的物体。  

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      弦的长度如天文数字般的小

      研究认为,弦的长度超乎想象地极其微小,大概是10^-35米。下面,我们把弦的长度和其他尺寸较小的物体进行对比。本段所提到的物体大小都是大概的数值。人体大约由37万亿个细胞组成。细胞的大小各不相同,但典型的细胞大小约为0.01毫米,即10万分之1米左右。原子远远小于细胞,大约是100亿分之1米。位于原子中心的原子核大约是原子的10万分之1那么大,约为1000万亿分之1米(10^-15米)。上面的数值已经是无法想象的小了,但是弦还要更小许多,只有原子核的1000万亿分之1的10万分之1那么大。如上所述,由于弦极其微小,所以用目前的任何显微镜都无法观测到,也根本不可能通过实验来确认其大小,估计将来也很难做到吧。

      3.隐藏的维度 

      弦居住在”9维空间“里

      超弦理论通过1种弦的不同振动模式来解释目前已知的多种基本粒子。但研究发现,超弦理论实际上需要某种特殊条件才能成立。这个条件就是“我们生活的世界是9维空间”(包括时间的话,则是10维时空)。这到底是怎么回事呢?

      什么是维度?

      “维度”究竟是什么?空间的维数与“能够相互正交(垂直相交)的线的最大数量”一致。我们生活的空间因为可以使3条线正交,所以是3维空间。纸面上只能有2条线正交,所以是2维的世界。9维空间是指能够让9条线相互正交的空间。生活在3维空间的我们很难想象9维空间到底是什么样子的。不过,我们可以在数学上处理9维空间的图形等。例如,假设一个3维立方体的边长为L,那么,这个3维立方体的体积可以表示为L^3, 9维立方体的体积则可以表示为L^9。如果使用这样的高维几何学知识,是可以从理论上研究高维空间中弦的运动的。与3维空间相比,弦在9维空间里有更多的振动方向,因此振动模式也会相应增多。深入研究超弦理论,我们就会发现它在3维空间里会出现矛盾。然而,如果弦在9维空间里振动的话,则能够避免这种破绽,超弦理论会完美地成立。但是,这个世界看上去并不像9维空间。这样的话,我们也许可以得,出一个结论:超弦理论并不是解释现实世界的理论。然而,物理学家并不是这样认为的。在下文,将进一步深人挖掘这个问题。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      首先想到的是”6个维度卷曲到极小隐藏起来“

      我们生活的世界看起来是一个拥有长、宽、高的3维空间。但是,超弦理论认为这个世界是9维空间。我们应该如何解决这一矛盾呢?物理学家们找到的捷径之一是:超出3维的剩余6维“卷曲到极小隐藏起来了”(实际上也有其他的可能性,将在接下来的部分介绍)(紧致化)。通常的3维之外的维度称为“额外维度”。

      在卷曲的维度中行进一定距离后又会回到原点

      我们设想一下从远处看一根细长棍子的情形。细棍看上去应该是一条没有粗细的线,即只有长度的1维物体。但是,对于比棍子粗细更小的蚂蚁那样的生物来说,棍子的表面可以说是2维的世界(下图),这是因为蚂蚁不仅可以沿着棍子的长度方向移动,也可以沿着与长度正交的圆周方向移动。对于从远处看棍子的人来说,棍子在圆周方向上的维度是“卷曲着隐藏了起来”。 超弦理论所主张的额外维度也是样的。下面,我们在眼前的空间里画一条粗细为零的线。这条线相当于蚂蚁例子中“从远处看到的细棍”。如果把这条线充分放大的话,我们就能看到隐藏的维度,发现它其实并不是单纯的线。为了更简洁易懂,图片描绘了只有一个额外维度的情况,所以显示为圆筒形的2维平面。因为超弦理论认为存在6个额外维度,实际显示的应该是7维立体。而且, “卷曲” (也称为闭合)是指像棍子表面的圆周方向那样“行进一定距离后会回到原点”。虽然我们不清楚卷曲维度的尺寸,但研究认为,通常情况下与弦的长度大致相同,约为10^35米。因为这个尺寸实在过于微小,所以到现在为止也未能观测到。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分) 

      高维空间隐藏在每个地方

      超弦理论预言,卷曲到极小隐藏起来的维度高达6个。下面,我们想象一下从日常风景中提取出2维的面并将其放大的情形。隐藏的维度可以说“黏附”在空间的每一个点上。下图为隐藏维度为1个时的示意。为了方便,图片只在格子的交点上画出了黏附在上面的圆形额外维度(卷曲的1个维度),但实际上交点与交点之间的所有点上都黏附着一个圆。

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)

      空间里的所有点上都黏附着6维立体

      下图是卷曲维度为2个时(隐藏着2维的面的情形)的示意。看上去格子的交点上吸附着球面(卷曲的2个维度),但实际上交点与交点之间的所有点上都吸附着球面。由于无法在纸上画出卷曲到极小的3维空间,因此,从这里开始只能靠我们想象了。超弦理论所预言的世界是每一个点上都黏附着卷曲到极小的6维立体。正因如此,超弦理论所预言的高维空间并不是某个另外的世界,而意味着高维空间分布在我们眼前的每个点上。 

      超弦:宇宙的终极理论?(第一部分)




      第一部分到这里就结束了,未来我还会写接下来的部分,目前暂定是再写两部分,撰写长文不易,希望大家多多支持。

      部分图片来源:SCI 

      Lv.13细胞
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      达尔文
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      Lv.15蚂蚁
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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      阿基米德🌏
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      一个热爱物理的人

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      Lv.4弱力范围
      阿基米德🌏
      膜宇宙是膜理论吗?

      一个热爱物理的人

    • 耦合的电子不是的
      拉黑 1月前 手机端回复
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      Lv.15蚂蚁
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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      Lv.0量子泡沫
      哇哇哇太厉害了,有一个问题,为什么说闭合的环是一个维度的话,首先文章提到是在环的表面没有两条正交的线,所以它是一维的,同理,对于球来说,只存在两条正交的线,所以是二维。但在旁观者看来,环明明是二维,球明明是三维,只要不局限于其表面就好了,想知道为什么必须从表面来看。就像放大棍子,其实是一个三维的东西,画一条线放大才是二维的一样。
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      Lv.0量子泡沫
      刚才想了一下,弯曲的是维度是吧。但是维度是如何弯曲的,维度的弯曲有什么凭借吗?比如我可以弯曲身体,是因为我身边有空间,那么维度是如何弯曲的,也就是说,空间之外还有什么?还有空间吗?
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      耦合的电子爱因斯坦
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