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为什么弦理论/M理论是万物理论的主要候选者?

什么是弦理论?

在物理学中,弦理论是一个理论框架,在这个理论框架中,粒子物理学中的点状粒子被称为弦的一维物体所取代。它描述了这些字符串如何在空间中传播并相互作用。在比弦尺度大的距离尺度上,弦看起来就像一个普通的粒子,它的质量、电荷和其他性质都是由弦的振动状态决定的。在弦理论中,弦的许多振动状态之一对应着重子,一个带有重力的量子力学粒子。因此弦理论是量子引力理论。

弦理论是一个广泛而多样的学科,它试图解决一些基础物理学的深奥问题。弦理论已被应用于黑洞物理学、早期宇宙宇宙学、核物理和凝聚态物理等领域的各种问题,并在纯数学领域引发了一系列重大的发展。因为弦理论潜在地提供了对重力和粒子物理学的统一描述,它是万物理论的候选,一个独立的数学模型,描述所有的基本力和物质的形式。尽管在这些问题上做了很多工作,但弦理论在多大程度上描述了现实世界,以及弦理论在细节选择上允许多大的自由尚不得而知。

弦理论的发展

弦理论最早是在20世纪60年代末作为强大核力的理论被研究出来的,后来被弃用于量子色动力学。后来人们认识到,正是弦理论的性质使它不适合作为核物理理论,这使它成为一个有前途的引力量子理论的候选者。弦理论的最早版本,玻色子弦理论,只包含了被称为玻色子的粒子。后来发展成超弦理论,认为玻色子和费米子这类粒子之间存在超对称性。在20世纪90年代中期,人们推测超级弦理论的五个一致的版本都是在11个维度上被称为m理论的单一理论的不同极限情况。在1997年末,理论家们发现了一种叫做ad /CFT对应的重要关系,它将弦理论与另一种叫做量子场理论的物理理论联系在一起。

M理论

​​

M理论在一个数学结构中统一了弦理论的五个一致的版本(以及超重力粒子描述)。看起来每个理论都在不同的物理状态下。

成为“万物理论(theory of everything,简写为TOE)”并不容易。一个万物理论(TOE)有一项非常艰巨的工作,那就是将重力融入自然的量子规律,在很大程度上,引力就像时空结构中的曲线,就像阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中所描述的那样。在某种程度上,时空曲率是由引力子的量化单位的集体效应产生的。但是天真的尝试去计算重子是如何相互作用的,结果是荒谬的无穷,这表明需要对重力有更深的理解。

弦理论(或者更严格地说,M理论)经常被描述为宇宙万物理论的主要候选者。但是没有实证证据证明它,也没有其他关于重力如何与其他基本力结合的观点。

为什么弦/ M理论比其他理论更有优势呢?

这一理论的著名论断是引力子,以及电子,光子和其他一切,不是点粒子,而是微小的能量带,或者说“弦”,它们以不同的方式振动。对弦理论的兴趣在20世纪80年代中期激增,当时物理学家们意识到它对量化的重力给出了数学上一致的描述。但弦理论的五个已知版本都是“扰动”,意思是它们在某些情况下会崩溃。理论学家可以计算出当两个重子弦在高能量下碰撞时会发生什么,但当重子的汇流达到足以形成黑洞的程度时则不然。

然后,在1995年,物理学家爱德华·威滕发现了所有弦理论的母理论。他发现各种迹象表明,微扰弦理论结合在一起,形成了一个连贯的非微扰理论,他称之为M理论。M理论看起来和弦理论在不同物理环境下的每个弦理论一样,但它本身并没有对它的有效性范围的限制——这是万物理论的一个主要要求。或者威滕的计算结果是这样的。加州理工学院的理论物理学家大卫·西蒙斯-杜芬解释说:“威滕可以在不写下M理论方程式的情况下提出这些论点,这令人印象深刻,但也留下了许多未解的问题。”

两年后,物理学家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)发现了AdS/CFT通信:在一个叫做反德西特(AdS)空间的时空区域内,将引力与粒子的量子描述(称为“共形场理论”)联系起来,在该区域的边界上移动。ad /CFT给出了一个完整的m理论的定义,用来描述AdS时空几何的特殊情况,这些时空几何被注入了负能量,使它们以与我们的宇宙不同的方式弯曲。对于这样的想象世界,物理学家可以描述所有能量的过程,原则上包括黑洞的形成和蒸发。在过去的20年里,有1.6万篇论文引用了马尔达塞纳的理论,这些论文主要是为了进行这些计算,以便更好地理解AdS/CFT和量子引力。

这个基本的事件序列让大多数专家认为M理论是最好的万物理论(TOE)候选者,即使它在我们这样的宇宙中的确切定义仍然是未知的。这个理论是否正确是一个完全不同的问题。它所定位的弦——以及额外的、弯曲的空间维度,这些弦被认为在其中摆动——比大型强子对撞机(Hadron Collider)所能解析的实验要小1000亿倍。一些可能已经被发现的理论的宏观特征,如宇宙弦和超对称性,还没有出现。

与此同时,其他的万物理论(TOE)被认为有各种各样的技术问题,但还没有人重复弦理论对数学一致性的证明,比如引力-引力子散射计算。(根据西蒙斯-杜芬(simmon - duffin)的说法,所有竞争对手都没能完成这一计算的第一步,或第一步“量子修正”。)一位哲学家甚至认为弦理论作为唯一已知的一致理论的地位可以作为这个理论是正确的证据。

与之竞争的理论包括渐近安全引力、E8理论、非交换几何、以及因果费米子体系等,都远远落后于弦理论。例如,渐近安全引力建议,引力的强度可能随着尺度的变小而发生变化,从而解决计算中出现的无穷大问题。但目前还没有人知道如何让这一技巧得到运用。

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来自:红豆居士  > 物理学
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