弦理論講述的是什麼?如果你在大街上随便采訪一個人,十有八九都不了解。即便有了解的,基本上也隻是聽說過而已,很難比較深入地了解弦理論到底是一個什麼樣的理論。對于普通人來講,弦理論太深奧了。
喜歡科幻電影和小說的夥伴們,應該在電影小說裡看過關于弦理論的相關故事情節,但一般這種情節都比較燒腦,不太容易理解,特别是弦理論還需要借助一些數學工具才能更準備地描述出來。
弦理論是我們認識世界的一種方式,主要是關于“宇宙萬物到底由什麼組成的?”。以前人們認為最小的結構單元是原子,後來發現了更小的電子,質子,質子下面還有誇克。但是還有沒有比誇克更小的結構單元呢?
目前的科學理論(粒子标準模型)認為,電子,誇克等粒子都是基本粒子,它們是不能再分的。
不過弦理論認為,宇宙萬物都是由最基本的弦組成的,弦在不停地振動,就像一根振動的橡皮筋那樣,弦理論可以诠釋很多種物理學現象。
在物理學上,電子誇克等基本粒子是沒有結構的,在數學上可以看作是一個點。但如果是這樣,問題就來了:同樣的一個點,為什麼可以表現為不同的基本粒子?有時候表現出來誇克,有時候表現出來電子或其他基本粒子?
為什麼簡單的一個點可以表現出如此豐富的物理信息呢?
為了诠釋這種問題,在20世紀70年代,一種前沿的理論,弦理論誕生了。根據該理論的诠釋,組成宇宙萬物的基本單元并不是像誇克電子這樣的基本粒子,而是像弦一樣不斷振動的東西,一維的東西。弦不同的振動模式(比如說振動頻率)就會表現出不同的粒子。弦理論剛提出了,就引起了很大的轟動,引起了很多理論物理學家的極大興趣。
振動的弦,也分為兩種形式,一種是開放的弦,稱為“開弦”,就像線段一樣,有兩個端點。另一種是閉合的弦,就像圓圈一樣。弦理論認為,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,下面簡單說說弦理論誕生的背景。
在弦理論誕生之前(實際上至今仍是如此),科學家們一直渴望找到一個物理學界大統一理論,能夠完全描述自然界四種基本作用力(強力,弱力,電磁力,引力)。
通過不斷地努力,前三種力,強力弱力和電磁力終于能夠統一了,但唯獨引力被排除在外,科學家們一直沒有找到引力子,目前關于引力子的概念都是一種假設,科學家們并沒有在大型粒子對撞機中發現引力子的存在。于是科學家腦洞大開,提出了弦理論(當然過程就不是如此簡單,這裡隻是簡單描述),最先提出弦理論的是物理學家韋内齊亞諾。
随着弦理論的發展,出現了不同模式的弦理論,有多達五種弦理論。但我們都知道,描述大自然的理論應該是唯一的,不可能有兩個不同的理論去描述大自然運行規律。
到了上世紀八九十年代,一個科學家站了出來,它就是愛德華威滕,創建了史無前例的M理論,統一了之前的物種弦理論。
這裡的M道理是什麼意思呢?有人說是Magic(謎),有人說是Master,其實這些都不對。M并沒有什麼非常特殊的物理學含義,它隻是威騰的首字母W反過來寫而已。
最開始的弦理論必須是嚴格的九維度空間加上一維時間,這樣它才是自洽的,否則就不成立。而M理論則不然,它認為宇宙是十一維度的,十一維度理論是超引力理論,該理論中存在一個非常特殊的解,而這個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理論的提出開啟了弦理論的二次革命,認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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