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蚂蚁科学;什么是弦理论

2017-08-20

我们已知的各种天体,它们是按照定律从而进行有规律的运动。在新定律被逐渐发现时,导致了科学决定论的思想:必定存在一整套定律完备集合,只要给定宇宙在某一特殊时刻的状态,它们就指明宇宙从那个时刻往前往后将如何发展,这种定律必定在任何时刻任何地点都成立。

为此,科学家提出了弦理论,不久经过两次变革,衍生出了如今的M-理论。

为什么会诞生弦理论?过去两个世纪的科学家都致力于研究大爆炸之前的宇宙,目前,暴胀场让我们知道了大爆炸之前的“宇宙黑暗世纪”的模样,但再追溯到那个“点”,我们就没有再科学的理论来支持了。于是我们决定到黑洞里去寻找答案(因为黑洞奇点和我们称为宇宙开端的极为相似)。

黑洞(基普索恩模型)

不过在黑洞上,我们必须深入到普朗克尺度才能解决一系列复杂问题。( 在任何结合广义相对论与量子力学的量子引力理论中,若在时间短于普朗克时间、距离小于普朗克长度的尺度下,我们传统上对时间、空间的标示将会全盘瓦解。 )如今,在普朗克尺度中,一切理论都只是纯理论。

在弦理论之前, 量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论,但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。 量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。广义相对论认为时空是弯曲的,弯曲时空是万有引力的起源。将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。再根据量子效应,可以得出我们宇宙的任何位置能量无穷,这显然不是科学的。很显然,我们需要一个更完备的理论。

弦论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”(包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦), 四种基本作用力“粒子”(强、弱作用力粒子,电磁力粒子,以及重力粒子),都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成,而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。 在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子泡沬由“弦几何”代替了。

目前,超弦理论的时空维数为10维,所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时,可以发现所谓的T-对偶;而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的,并且满足Dirichlet边界条件,所以这些超曲面一般被称为“D膜”。研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”(M理论),是为“M”字之一来源。(相关资料源自于《果壳中的宇宙》-斯蒂芬·霍金)

在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。因此,额外维是我们寻求终极模型或者理论的新进展,它意味着我们生活在一个膜的世界,一个高维时空中的四维面和膜。

引力的膜效应

另外,膜(M-理论)可以解决我们在上文中所提到的修正引力理论,弯曲时空所代表的引力会弥漫到高维时空中,因为我们体验的引力与其他力不同,它能发散到额外维,但邻近我们的第二张膜会防止引力向额外维的远方发散,而且意外着在比膜间隔更大的距离上,引力衰减的速率和人们在四维情形下预想的一样。同样,由于光被限制在膜上,我们不能通过它们之间的空间传播,因此我们不能看到影子世界。这样,由于引力被传播到额外膜,行星可以围绕在影子膜上的暗质量公转,这也解决了为什么目前已知引力不能支撑整个星系的运转,当然这就是暗物质的本质所在。

目前,我们普遍认为弦理论和M-理论是物理学上的终极理论,弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的,该理论的正确与否尚待验证。

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来自:李星林  > 待分类
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