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什么是场论、挠场、弦论、超弦理论、M理论?(汇编)
前言:此系列文章汇编只是简单提到各种科学门类的名称或者简单内容,不展开详谈,只为大家展示一个基本的思路、框架,做一个简单的科普。
简述量子物理之量子场论、挠场、弦论
基本作用场
强核力场
纠结夸克组成质子中子维系原子核
弱核力场
引发衰变
电磁力场
形成电磁场,发出光子
引力场
形成引力场
自旋场(挠场)
基本粒子的自旋——各自有其自身的自旋数,大小不能变,但可以改变自旋方向
原子和分子的自旋——原子和分子的自旋是原子或分子中未成对电子自旋之和,未成对电子的自旋导致原子和分子具有顺磁性,磁场即是这类自旋场的宏观展现
爱因斯坦1915年提出《广义相对论》时,并未考虑物体的自旋效应。1920年代,卡坍(Cartan)首先在广义相对论中考虑物体自旋导致时空的扭曲,因而产生挠场。在广义相对论中,爱因斯坦假设挠场不存在,但德国大数学家Weyl 在1930年代指出数学上并不能将它排除。挠场是万有引力、电磁力、弱作用力、强作用力之外的另一种力,为第五种力
量子场论
量子场论的建立基于经典场论、狭义相对论和量子力学。量子场论中,粒子就是场的量子激发,每一种粒子都有自己相应的场(场与量子本质不二,前面提到的量子涨落则是虚空与量子本质不二)
挠场理论
自旋场(挠场)是五大基本作用力场之一,是物体自旋角动量扭曲时空坐标所产生的场。(早在爱因斯坦时代就已经发现了自旋场,且量子的自旋是量子的基本特性之一,必然产生其作用力场,目前的科学界仍然对自旋场研究闭口不谈,学校教育也只是提到前四种作用力场,是因为发现了什么不得了的事,不敢说或者不愿说?相关研究者——前苏联、李嗣涔)
挠场特性
1.不像电磁场那样,同电荷相排斥,异电荷相吸引,挠场是同荷合并,而异荷排斥;
2.由于挠场是由经典的自旋产生的,所以,挠场对物体的作用只会改变物体的自旋状态;
3.挠场在通过一般物理介质时不会被吸收,也不会产生相互作用;
4.挠场的传播速度不低于109倍光速,这一现象与量子非局域性的表现相关;
5.由于任何物质都有非零的集体自旋,因此,任何物质都有自身的挠场;
6.挠场具有记忆和滞后作用,也就是具有一定强度和频率的挠场的场源把围绕该物体的空间中的物理真空极化了,所以,当场源被移走后,空间的涡旋结构仍然保留,挠场还可以存在;
7.挠场具有轴向加速作用。
挠场现象
冷核聚变(常温、简单条件)、龙卷风、水晶能量场、灵修、风水气场、时空残影灵异事件、超时空心灵感应
弦论
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)。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子,能量与物质是可以转化的。弦论中的弦尺度非常小,操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为“膜”。
在弦理论中,基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子,而是一维的弦。这些弦可以有端点,或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦,弦理论中支持一定的振荡模式,或者共振频率,其波长准确地配合。
虽然弦理论最开始是要解出强相互作用力的作用模式,但是后来的研究则发现了所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反电子,正反中微子等等,以及四种基本作用力“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。
弦论对创世初期的解释
总结
如何理解量子自旋?
自旋数为半整数以及超过1的数,该如何理解?请看下面的示意图。
自旋1(所有我们肉眼能够看到的旋转、光、宏观天体)
自旋1/2
可以得出哪些结论?
1.宇宙本是虚空,所有的空间、时间、能量、物质都是从无到有持续出现的。空间的相对性、时间的相对性,时间是假象。(过去现在未来不可得)
2.爱因斯坦未完成的大统一场理论,如今已经看到了统一的曙光。
3.在显性世界里,人们看到有能量守恒定律,以及后来爱因斯坦统一了能量和物质,发展出了质能守恒定律,如今我们更可以看到,能量也是可以凭空产生的,是从隐性的宇宙虚空里出现的,能量并不是最根本的存在。
4.对挠场的研究,人们发现宗教修行、玄学数术不仅是真实的,而且皆有依据。所以很多研究此类科学的科学家后来大多皈依了宗教。
5.至少我们已经可以从理论上证明可以发展出自由能源,现在的石油危机、能源危机,本质上是个伪命题,也许科学家们还没有找到利用自由能源的方法,也许是有人故意隐瞒。
6.上帝粒子是个很神奇的存在,顾名思义,这与西方人对基督教的信仰有关,西方的科学家毫不避讳这一点。
7.西方欧美国家的科学,是真的科学,中国人对科学的理解相当狭隘,而且中国的科学家也几乎做不了什么突破,只能跟在别人后面。
比物理定律更接近宇宙真相的,是弦理论图景
导语
科学家寻求对现实的单一描述,但现代物理学却允许很多不同的描述,而且其中许多描述是“异曲同工”的,它们互相通过数学可能性的广阔图景连接起来。
编译:集智俱乐部翻译组
来源:quantamagazine
原题:
There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape.
假设 A 和 B 都被要求准备一道菜, A 喜欢中餐,B 喜欢意大利餐(美国人觉得两个菜系差不多)。让他们分别挑选自己最喜爱的配方,购买食材,然后照说明去做。但是当他们将盘子从烤箱里拿出来时,两人都大吃一惊,这两道菜竟然是完全一样的。我们可以想象 A 和 B 必然会开始“人生三问”:不同的配料怎么会做出同样的菜呢?烹饪中国菜或意大利菜到底意味着什么?他们准备食物的方法是错误的吗?
这正是量子物理学家所经历的困惑。他们发现,对于同一个物理系统经常会有两种完全不同的描述。只不过在物理学中,配料不是肉类与酱料,而是粒子和作用力;食谱是描述相互作用的数学公式;烹饪过程是量子化过程,它将数学方程转化为物理现象的概率。就像 A 和 B 一样,量子物理学家感到惊奇的是,不同的方法何以会导致相同的结果。
1 物理常量是自然的吗?
自然在选择它的基本定律时有什么选择吗?对此爱因斯坦有一个著名的观点,给定一些普遍原则,就会形成一种独特的方式来构建一个一致且运转良好的宇宙。在爱因斯坦看来,如果我们对物理学的本质探索得足够深,那就会有且只有一种方式使得所有的成分——物质、辐射、力、空间与时间——组合成运行良好的世界,这就像一个机械钟的齿轮、弹簧、表盘独特地结合在一起,保持对时间的精确记录一样。
目前的粒子物理学标准模型事实上正是一个只包含少量成分紧密关联的系统。然而,宇宙似乎并不是独特的,而是无数个可能世界中的一个。我们也不知道为什么'粒子和力'的这种特殊组合构成了自然世界的基石。为什么夸克有六种“风味”,中微子有三“代”,希格斯粒子只有一种?此外,标准模型包含19个物理常量,比如电子的质量、电子的电荷量之类的物理量,这些物理常量必须通过实验来测量。这些“自由参数”的值似乎没有任何更深刻的含义。一方面,粒子物理学是优雅的奇迹;另一方面,它叙述了一个“本就如此”的故事。
2012年,在大型强子对撞机27公里长的圆形隧道中,粒子相互碰撞产生了希格斯玻色子
如果我们的世界只是众多世界中的一个,那么我们该如何对待其他的选项呢?爱因斯坦想象的是一个独一无二的宇宙,但是目前的研究与这个观点去之甚远。现代物理学家拥抱物理广阔的可能性空间,并试图理解它包罗万象的逻辑和相互联系。他们从最开始物理规律的淘金者变成了地理和地质学家,对物理规律的世界进行详细测绘,并研究塑造这种地貌的作用力。
2 弦理论(string theory)的广阔空间
然而,弦理论(string theory)使这种观点发生了转变。目前看来,弦理论是能够描述所有粒子和力(包括引力)、同时遵循量子力学与相对论的严格逻辑规则的唯一可行的候选自然理论。好消息是,弦理论没有自由参数,它不是可以转动的表盘。要问哪个弦理论描述了我们的宇宙是没有意义的,因为只有一个弦理论。不存在任何自由参数会导致一个震撼的结论,那就是自然界中所有的数字都要由物理学本身来确定。它们不是“物理常量”,而是由方程(也许是非常复杂的方程)确定的变量。
而这也带来了坏消息。弦理论的解空间巨大而复杂。这在物理学中并不罕见。按照传统,我们会把数学方程描述的基本定律和这些方程的解做区分,因为通常只有几个定律,但有无数的解。以牛顿定律为例,它简洁优雅,却能描述从坠落的苹果到月球轨道广泛的现象。如果知道一个特定系统的初始条件,这些定律能够解出方程,并预测接下来会发生什么。我们不期望,也不需要一个能够描述一切的先验唯一解。
在弦理论中,通常会将一些物理特征看作自然定律,比如特定的粒子和力,事实上这些定律是一些高维定律的解。它们由隐藏的额外维度的形状和大小决定。所有这些解,它们构成的空间通常被称为“图景(landscape)”,但这是一种轻率的轻描淡写,与这个空间的广阔相比,即使是最令人敬畏的山脉景观也会黯然失色。虽然对它的地理脉络知之甚少,但我们知道,它有着规模巨大的领土。
弦理论是能够描述所有粒子和力(包括引力)、同时遵循量子力学与相对论的严格逻辑规则的唯一可行的候选自然理论。
一个最引人注意的特点是,可能这片土地上所有东西都是相互连接的,也就是说,任意两个模型之间都有一条完整的连接路径。如果宇宙能足够程度上被震动,我们将能够从一个可能的世界移动到另一个,改变那些被认为是不可改变的自然定律,改变构成现实的基本粒子的特殊组合。
3 探索广阔图景
但对于那些动辄具有数百个维度的宇宙物理模型,要如何探索它们的广阔图景呢?一个很有帮助的办法是,将这片图景想象成很大程度上未被开发的荒野,它的大部分隐藏在层层难以处理的复杂性下面。只有在最边缘处,才发现了一些适合居住的地方。在这些偏僻的前哨点,生活简单而美好,我们找到了自己完全理解的基本模型。它们对于描述真实世界几乎没有什么价值,却可以成为探索周围区域的方便起点。
量子电动力学(QED)理论就是一个很好的例子,它描述的是物质和光之间的相互作用。这个模型只有一个参数,也就是精细结构常数α,它的数值接近1/137,衡量两个电子之间力的强度。
量子电动力学描述的是物质和光之间的相互作用。
在量子电动力学中,所有过程都可以看作是由基本的相互作用产生的。例如,两个电子之间的斥力可以看作是光子的交换。量子电动力学要求我们考虑两个电子彼此交换一个光子的所有可能方式,在实践中这意味着物理学家必须解决一个极其复杂的无限求和问题。但这个理论也提供了一条出路:每个额外的光子交换会增加包含α升高一个指数的项。因为这是一个相对较小的数字,具有多个光子交换的项只会起到很小的作用,在寻找“真实”值的近似中可以忽略它们。
在整个图景的前哨点发现了这些弱耦合理论。在这里,其他因素的影响强度很小,讨论基本粒子的列表以及计算它们相互作用力是有意义的。但是,如果离开这里,更深入地进入荒野,那么耦合就会变得更强,每一个额外的展开项都会变得更加重要,我们不再能区分单个粒子,相反,它们会溶解成一个纠缠的能量网,就像热烤箱中的蛋糕一样。
然而,并不是所有以往的规律都不复存在。有时,穿越黑暗荒野的道路会终结于另一个前哨点,也就是另一个控制良好的模型中,只不过这个模型由完全不同的粒子和力组成。在这种情况下,就像 A 和 B 的菜一样,同一个底层物理规律,有两种不同的描述方法。这些互补的描述被称为对偶模型(dual model),它们之间的关系是对偶的。我们可以将对偶关系看成海森堡发现的波粒二象性的一个巨大的外推。对于 A 和 B 来说,这就像是是中国菜和意大利菜的食谱之间的翻译,只不过是用两套不同的描述来形容同一种食物。
对于物理学来说,为什么这如此令人兴奋呢?现代量子物理学最令人震惊的一个结论是:许多模型是一个巨大且相互连接的空间的一部分。这是一种视角的转变,足以被称为“范式转移(paradigm shift)”。它告诉我们,发现的不是由单个岛屿组成的群岛,而是一块巨大的大陆。从某种意义上说,通过足够深入地研究一个模型,就可以研究所有的模型。我们可以探究这些模型之间是如何联系的,并阐明它们的共同结构。
需要强调的是,这种现象与弦理论是否描述真实世界的问题在很大程度上是无关的。它是量子物理学的固有属性,而无论未来的“万物理论”会是什么样子,这种现象依旧存在。
为了寻求对所有自然现象的统一、连贯的描述,即一个'万物理论',物理学家们已经发现了连接越来越多不同现象的主要线索。
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一个更引人注目的结论是,基础物理学的所有传统描述都必须被抛弃。粒子、场、力、对称——它们都不过是在复杂图景边缘上的人为描述。构建简单模块来思考物理学似乎是错误的,或者至少是受限的。也许存在一种全新的框架,能够将自然的基本定律统一起来,并抛弃掉所有熟悉的概念。
对于这种激动人心的观点而言,弦理论的数学复杂性和一致性是一个强大的动力。但我们必须重视现实。用玻尔(Niels Bohr)的话来说就是,目前关于取代粒子和场的想法几乎没有哪个“疯狂到足以成为现实”。就像 A 和 B 一样,物理学已经准备好抛弃旧的食谱,拥抱一种现代的融合烹饪。
翻译:公孙龙马
审校:陈曦
编辑:王怡蔺
文章地址:
https://www.quantamagazine.org/there-are-no-laws-of-physics-theres-only-the-landscape-20180604/
再提一下爱因斯坦的广义相对论
爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论。我们前面说过,引力源于物体质量的相互吸引,物体的质量越大,引力越大。但为什么物体的质量会产生引力呢?引力为什么很微弱却又能在宏观范围内起作用呢?比如说,两个人、两块大石头之间的引力几乎就是零,只有像太阳、地球、月亮这样宇宙中的星体,才有明显的引力作用。
爱因斯坦把这个疑惑给解开了,他给出了一个出人意料却又合乎情理的解答:空间本身是有形状的,当没有任何物质或能量存在时,空间应该是平直光滑的,当一个大质量物体进入空间后,平直的空间就发生了弯曲凹陷,这就像一条拉得很平很直的床单上,当放进一个保龄球时,床单就凹陷下去,所谓引力就是因为这样的空间弯曲而导致的。地球在绕着太阳的轨道上运行,是因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”,这就是我们通常所说的太阳对地球的引力作用。两个人、两块大石头之间的引力几乎不存在的原因就是,这么小的质量使空间的弯曲几乎为零。因此,普通物体之间的引力作用是可以忽略不计的。
在这里,引力变成了漂亮的几何图景,引力本身并不存在,它只是空间的几何形变所引起的明显结果。引力的本质就这样被广义相对论圆满地解释了。
广义相对论的局限
但空间的几何形变却解释不了其它三种力,电磁力、强力和弱力似乎都无法通过空间的褶皱来实现。爱因斯坦曾设想,所有的物质都是空间扭结和振动而形成,换句话说,我们看到的周围的一切,从树和云到天上的星星,都可能是一个幻觉,是某种形式的空间褶皱。若这种思想是正确的,另外三种力也必定与引力一样,是空间的几何形变所引起的必然结果,这样,四种力就统一到空间弯曲的几何学中了,空间弯曲的不同方式会造就不同的力。然而,在微观世界里,空间根本就不是平滑的,而是有无数的粒子在剧烈且永不停息地喧嚣,广义相对论的核心原理——光滑的空间几何概念,在这里被破坏殆尽。
量子理论的解释与局限
对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为,在这个理论体系中,宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成,由于质量小到几近于零,这些粒子的运动轨迹变化莫测,毫无规律可循。在这里,力是由粒子的交换而来的,电磁力是由光子交换而来,弱力是由弱规范玻色子交换而来,强力是由胶子交换而来。例如,两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果,两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响,这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球,通过传球,两个人的运动状态都在受到影响。其它两种力的相互作用也是如此。
但是,因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的,而且,在微观世界里,粒子的自身质量不仅小到几乎没有,还总是在杂乱无章地运动,它们之间的引力从何谈起?因此,量子理论无法涵盖引力。
广义相对论与量子理论不能统一,成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信,在宇宙的微观层面和宏观层面,居然不是一个统一连贯的整体,我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。为了能让两个理论协调起来,物理学家做过大量的尝试,他们以这样那样的方法,要么修正广义相对论,要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人,但结果却一个跟着一个失败。
终于,超弦理论来了。
总是感觉宇宙的神秘,也有很多科学家指出不同的观点,有的科学家认为宇宙是以弦的形式存在的,也就是超弦理论:
超弦理论认为,不存在粒子,只有弦在空间运动,各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用,所有的物质和能量,都可以用弦的分裂和结合来解释。
最为奇特的是,弦并不是在平常的三维空间运动,而是在我们无法想象的高维空间运动。我们过去关于空间的观念都是错误的,空间正在以一种陌生得令人惊讶的方式活动着。但是, 这样高维度、 高能量、高温度的空间是极不稳定的,就像胀气太多的气球,于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来,逐渐形成了我们今天可感知的宇宙;而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度(即10^-33厘米)以内。
当宇宙处在10^32K这样极高的温度(这温度比我们得到的太阳的温度高10^26倍)时, 引力与其他大统一力分离开来,引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力,。随着宇宙进一步胀大和冷却,其它三种力也开始破裂,强相互作用力和弱—电力剥离开来。
当宇宙产生10^-9秒之后,它的温度降低到了10^15K,这时的弱—电 力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一 温度,所有四种力都已相互分离,宇宙成了由自由夸克 、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后,随着宇宙进一步冷却, 夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后,稳定的原子核开始形成。
当大爆炸发生30万年后,最早的原子问世 。宇宙的温度降至3000K ,氢原子可以形成,其不至于由碰撞而破裂。此时,宇宙终于变得透明,光可以传播数光年而不被吸收。
在大爆炸发生100至200亿年后的今天,宇宙惊人的 不对称,破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度已被冷却至 3K,这已接近绝对零度。
这就是宇宙的演变史 ,随着宇宙的渐渐冷却,力将解除相互的纠缠,逐步分离出来 。首先引力破裂出来,然后强相互作用力,接着弱力,最后只有电磁力保持不破缺 。
汪诘:什么是超弦理论?
为了把所有的物理规律统一到一个理论中,物理学家又发明了一种理论,称之为超弦理论。这种理论推测,像夸克、轻子这类最小的基本粒子并不是我们过去以为的“点”粒子,而是一根“弦”,一缕震动着的能量。超弦理论认为时空一共有 11 个维度,我们能感受到的三个是宏观空间维度再加一个时间维度,另外七个空间维度蜷缩在微观的“弦”中。这根“弦”是如此之小,小到足以被我们看作是一个“点”。
。。。。。。
物理学界流传着这样一句话——“弦理论是 21 世纪的理论偶然落到了 20 世纪,被好运气的物理学家们拾到了。”
超弦理论
1968 年,有一个叫做维尼齐亚诺(Veneziano,1942- )的意大利年轻物理学家,他就职于大名鼎鼎的欧洲核子研究中心。大多数物理学家都是数学家,这个维尼齐亚诺也不例外,他对数学是相当的有兴趣。有一天,他闲来无事开始把玩两百多年前大数学家欧拉发明的欧拉函数。
维尼齐亚诺玩着玩着,突然发现眼前这些数字怎么越看越熟悉啊。物理学有时候就会出现这种惊奇和意外,维尼齐亚诺手中的这些数字让他突然就联想到了全世界各地汇集过来的粒子对撞中产生的大量的原子碎片的各种数据,它们似乎有着极其惊人的关联。冥冥之中,似乎两百多年前的欧拉获得了上帝的启示,写下了这个欧拉函数,历经两百多年的时空穿越,维尼齐亚诺偶然发现了这个函数的惊人秘密。但问题是,这个函数虽然很管用,但是没有人能知道这个函数到底代表着什么物理意义,就好像一个小孩背会了九九乘法表,可以轻松地帮奶奶算出菜价,但是小孩却完全不知道这个像歌谣一样的九九乘法表是怎么来的,表示什么意义。维尼齐亚诺面临的尴尬就跟这个小孩是一样的。
要把一团乱麻给理成一根线,最关键也是最难的是要找到线头。现在,揭示微观世界秘密的线头被找到了,就是这个欧拉 β 函数。两年之后,芝加哥大学、斯坦福大学、玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们之间的核作用力就能精确地用欧拉 β 函数来描写。这根弦非常非常小,小到在我们现有的所有实验条件下,它表现出来的都仍然像一个点,实在太小了。
然而,弦理论的这条路非常坎坷,似乎一堆刚刚冒出一点火星的柴堆,还没窜出第一个火苗就被当头浇了一盆凉水。弦理论最初的几个预言被实验数据无情地推翻,全世界的物理学家们在一片唏嘘中都不情愿地把弦理论扔进了废纸篓,只有谢尔克(Joel Scherk)、格林(Michael Boris Green)和施瓦兹(John Schwarz)等几个少数的物理学家仍然没有放弃。他们觉得弦理论所展现出来的数学之美实在是太令人印象深刻了,哪怕在实验数据上有瑕疵,他们也不愿意放弃,他们愿意去修正理论而不是扔到垃圾桶中。经过十多年的努力,终于在一篇里程碑式的文章中,他们解决了矛盾,并且向世人宣告弦理论有能力成为万物理论。这篇文章在物理学界一石激起千层浪,许许多多的物理学家放下手头的工作,激动地阅读格林和施瓦兹的文章,读罢,很多人都马上停掉了手里的研究项目,转而一头奔向这个终极理论的战场,有什么事情能比得上探求统一全宇宙的理论更令人激动呢?
这就是 1984 年至 1986 年,在物理界中的“第一次超弦革命”。为什么在弦理论前面又增加了一个“超”字呢?格林和施瓦兹认为每一个基本粒子必须要有一个“超对称”的伙伴,电子有一个超伙伴叫做超电子,光子的超伙伴叫做光微子等等。弦理论和超伙伴的假想一结合,立即发挥出巨大的威力,就好像脱去普通西装,露出内裤外穿的超人本尊。从此,弦理论升级为超弦理论。超弦理论认为,任何基本粒子都不是一个点,而是一根闭合的弦,当它们以不同的方式振动时,就分别对应于自然界中的不同粒子。我们这个宇宙是一个十维的宇宙,但是有六个维度紧紧蜷缩了起来。就像远远地看一根吸管,它细得就像一条一维的线,但是当我们凑近一看,发现它其实是一根三维的管,其中的二维卷起来了。那六个维度的空间收缩得如此之紧,以至于你必须要放大一亿亿亿亿多倍(1 后面 34 个零)才能发现,其实所有的粒子都不是一个点,而是一个六维的“橡皮筋圈”,不停地在空间中振动,演奏着曼妙的音乐。
陈思进:超弦理论能成为万有理论吗?
文/陈思进
在目前的科学界,物质一般是指静止质量不为零的东西,也常用来泛称所有组成可观测物体的成分。
那么,物质是由什么构成的呢?
但凡接触过中学物理化学的读者都知道,分子是独立存在而保持物质化学性质的最小粒子,由原子构成(在我们的日常生活中,所有可以用肉眼看见的物质都由原子组成)。过去,原子曾被认为是基本粒子,atom(原子)一词就来自于希腊语中“不可切分的”。
之后,科学家发现,原子只是元素能保持其化学性质的最小单位,是由致密的原子核,以及若干围绕在原子核周围由电子组成的电子云所构成,而原子核则由质子和中子所构成。
随着不断地实验和量子场论的研究进展,科学家发现,质子、中子是由更基本的夸克和胶子所组成的。然后,更进一步发现了性质和电子相类似的一系列轻子,还有性质和光子、胶子相类似的一系列规范玻色子。这些就是现代物理学所理解的基本粒子(详见附图《粒子物理标准模型》)。
为了研究这些粒子的属性,各种理论也应运而生。同时,科学家们还在不断尝试走向大统一之路,也就是寻找一种能够统一描述四种基本作用力的理论。
让我们先回到1968年。那时的物理学已经发现物质间的四大基本力:强核力(Strong nuclear force)、弱核力(weak nuclear force)、电磁力(electromagnetic force)以及引力(gravitation)。但是,我们只能对引力和电磁力进行很好的描述,而新发现的弱核力和强核力却还没有一套完整的理论基础。正是那段时间前后,科学家将弱核力和电磁力统一了起来,然而对于强核力的描述,依旧是百家争鸣,直到弦理论在其中脱颖而出。
1968年是CERN(欧洲核子研究中心)诞生后的第14年,众多物理学家纷纷加入了强核力的研究,意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺(Gabriele Veneziano)也是其中之一。
韦内齐亚诺和其他物理学家不同,他并非从“杨-米尔斯规范场”(“杨”指的是杨振宁)切入研究,而是构建了一个函数,用来描述强核力过程中的一些散射情况。后来才发现,这个函数和早在200多年前被数学大神欧拉研究过的一个积分函数——欧拉积分一模一样,而欧拉积分中的贝塔函数,恰好正是韦内齐亚诺得出来的结果。
韦内齐亚诺发现贝塔函数可以处理一种强核力模型,是具有4个粒子的散射模型,之后被称为韦内齐亚诺模型。不过,多年后,人们才意识到这个模型的重要性。
后来,日本物理学家南部阳一郎和其他几位物理学家一起研究了韦内齐亚诺模型。他们惊奇地发现,在这个方程式中,粒子可以被看作是某种特定的空间延伸量,通俗地说就是一根弦,这个弦受到了两个力以致达到平衡状态:一个是自身的张力,犹如橡皮筋那样将两端向里拉;另一个是旋转离心力,就像螺旋桨那样。
当弦的两端受到排斥力,上述两个力恰好平衡。理论上说,每个弦的张力可达到13吨左右那么大。这个结果出乎意料,因为正常来说,在所有理论中,粒子都只是概念点,怎么还能被看成弦呢?
写到这里,顺便提一下,在美剧《生活大爆炸》第6季第5集中,Leonard向Penny展示他研究的“正投影全息显示加手指激光跟踪器”的时候解释说,在“弦理论”中,有个基本概念,宇宙可能是一张全息图。全息原理提出的观点是,人类在三维空间感受的一切,可能只是宇宙最遥远的地方的全息投影,我们感受到的宇宙其实只是外界的信息。因此,有可能我们的生活真的只是在宇宙这张最大的画布上表演绘画而已……
在上文《超弦理论能成为万有理论吗?(上)(《科普时报》2019年05月17日第3版)中,谈了弦理论的缘起,本篇继续往下谈。
夸克模型中有一个物理现象,描述了夸克不会单独存在,而由于强相互作用力,带色荷的夸克被限制与其它夸克在一起(两个或三个组成一个粒子),使得总色荷为零,被称为夸克禁闭。
后来,出现了一个物理大师John Schwarz(约翰·施瓦茨,犹太裔美国理论物理学家,加州理工学院教授,最早从事弦理论研究的理论学家之一),将弦论模型正式引入到夸克模型。首先,对于夸克为什么“禁闭”,施瓦茨解释说,因为夸克之间是由弦连接的,这个力巨大到无法将它们分开。
夸克禁闭非但在当时是未解之谜,迄今亦复如是,不过,那时施瓦茨至少能给出一个理由。于是,弦理论自然地走入了物理学家们的视野,渐渐地受到了欢迎。
但出现了一个问题,根据施瓦茨的计算,处于基态的弦应该具有虚质量(注:基态(Ground state)是指在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态,是最低能量态,除此之外都叫激发态),虚质量就是质量的平方得到的是负数。
我们知道0质量的光子速度最快,也就是光速;而虚质量的粒子就是所谓的快子,它的速度比光速还快,只要速度不降至光速以下就行了。虽然这并不违背狭义相对论,但是谁也没有见过快子,因为太过抽象了。
不仅如此,如果想要弦理论成立,在数学上它必须得26维。26维?!可信吗?太夸张了吧!
到了1971年,一个称为超对称的理论诞生了,和质子与中子因为同位旋对称,所以性质相像一样;费米子与玻色子之间,应该也具有某种对称性,这就是所谓的超对称。
而这个对称性导致的结果,就是每个粒子都应该有自己的超伴子,也就是说费米子应该有它的玻色伴子,玻色子也应该有它的费米伴子。这就相当于把基本粒子的数量翻了一番(不过,那些伴子和快子一样,物理学家做了许多试验,甚至一个都没有看见)。
紧接着,随着量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD,描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论,是粒子物理标准模型的一个基本组成部分,多年来量子色动力学已经收集了庞大的实验证据)的诞生,这个诡异的弦理论和超对称理论就被物理学家们抛弃了。
只有施瓦茨锲而不舍,他在1974年借鉴了超对称的思想又尝试用弦理论来描述费米子。在这个数学模型中,会自动出现一个质量为0自旋为2的粒子。同样,这个粒子在人们发现的粒子家谱中,也找不到相应的位置。于是,施瓦茨便开始想办法,尝试如何在数学上避免这个新粒子的出现。
到了1980年,施瓦茨和迈克尔·格林(Michael Green,英国物理学家,弦理论开创者之一)合作,终于将弦理论和超对称理论统一起来,提出了第一个版本的超弦理论!
最关键的是,他俩发现用超弦理论来描述强力总是和实验不符,会出现无穷大的结果;不过,用超弦理论来描述引力就不会无穷大了。于是,人们终于明白:这个质量为0自旋为2的粒子,正是用来传递引力的引力子。
当时,物理学家正发愁没有一个理论来统一引力,忽然冒出来一个从微观角度出发,貌似可以描述引力的理论,大家都很愉悦!并且,他俩在数学上将26维降到了10维,而通过10维中的弦的不同振动模式,就可以得到各种粒子了。也就是说,所有基本的粒子,如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都只是极短极短的一维弦——宇宙弦(普朗克长度1.6x10^-33厘米)的不同振动模式而已。
写到此,顺便介绍一下堪比数学大师黎曼的数学天才斯里尼瓦瑟·拉马努金。
1887年,拉马努金出生于印度,少时坎坷,甚至没有通过升高三的考试。26岁那年,他给著名英国数学家戈弗雷·哈代(Godfrey Hardy)写了一封信,信中包含了120个定理。
奇妙的是,这位贫穷孤独的印度小哥,完全没有处于领先地位的欧洲数学界的任何研究资讯,纯粹凭借个人才智、按照自己的方法,重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律(据他说是娜玛卡尔女神在梦中赐给他的灵感)。
起初,哈代对名不见经传的拉马努金的来信毫不在意,当拉马努金提供了其中一些发现的证明之后,哈代便把拉马努金带到了英国,带领他继续研究。
印度数学天才拉马努金
拉马努金最终的研究成果,包含了三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数(Ramanujan funcation),这是一个奇特的包含高达24次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只有在10维中才是自洽的。也就是说,拉马努金这位数学天才,给了超弦理论数学上的解释:产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,它的维度数一定是十!
到了1984年,施瓦茨和格林又提出一种新的对称SO(32)理论,它可以消除所有的畸变和无穷大,让人们再次看到超弦理论的厉害之处。至此,超弦理论被物理学家们视为万有理论的最佳选择,更多的物理学家加入了超弦理论的热潮之中,爆发了第一次超弦革命。
下篇再接着谈。
在《超弦理论能成为万有理论吗?(中)》(载《科普时报》2019年6月21日第3版) 一文中,提到了印度数学天才拉马努金。他就好像好莱坞电影《心灵捕手》(Good Will Hunting)中,马特·戴蒙扮演的野孩子:在MIT(麻省理工)做“扫地僧”,时常与地痞流氓厮混,却能够对于看似纠缠不清的数学难题,一挥而就地写出答案;而影片中罗宾·威廉姆斯扮演的教授看到答案后,脱口而出——他就是“The next Ramanujan”(下一个拉马努金)。
事实上,拉马努金在“一战”之前,就已经研究弦理论了,是20世纪最伟大的数学天才。所以拉马努金的大名,才会在《心灵捕手》中被提及。
在上文的结尾中谈到,1984年,超弦理论被物理学家们视为万有理论的最佳选择,更多的物理学家加入了超弦理论的研究热潮,爆发了第一次超弦革命。
本篇继续往下谈。
在涌入超弦理论热潮的物理学家之中,包括美国理论物理学家戴维·格罗斯(David Gross,他在任教普林斯顿大学期间,与他的学生弗朗克·维尔切克发现了量子色动力学中的渐近自由理论,并与休·波利策分享了2004年度的诺贝尔物理学奖)。格罗斯和杰弗里·哈维、爱弥尔·马提尼克、莱恩·罗姆共同建立了混合弦理论(Heterotic string theory,又称杂交弦理论),它等同于将不同方向振动的两闭弦“联姻”。而按顺时针方向振动的弦,可以视为在九维格拉斯曼数的空间(超空间)振动;逆时针方向振动的弦,则被视为在25维空间中振动。第一次弦论革命期间的经典文献,开创了弦理论应用于粒子物理唯象学研究的先声。因此,这4人被称为普林斯顿大学的“弦乐四重奏”。
到了1995年,超弦理论迎来了第二次革命,那个时候已经诞生了5种不同版本的超弦理论。就算是超弦理论有希望成为第一个万有理论,可是5种超弦理论未免也太多了点,那么,这5种理论之间又有什么关系呢?
这时候又一个“神人”出现了,他就是美国犹太裔数学物理学家爱德华·威顿(Edward Witten)。威顿证明了这5种超弦理论,其实在本质上是等价的,用物理术语来说就是对偶性,即这5个理论互为对偶,具有相同的物理性质。
在之前《再谈平行宇宙可成真?——多世界:物理送给科幻的一大礼物》一文(载《科普时报》2019年3月15日第3版》)中已提到,1995年春季,在南加州大学举行的一次弦理论会议中,物理学家爱德华·威顿就提出了将各种相容形式的超弦理论统一起来的M理论。
于是,威顿把这5种超弦理论统一了起来,创立了M理论。因此,爱德华·威顿被视为当代最伟大的物理学家之一,他的一些同行们甚至认为他是爱因斯坦的后继者之一。为此,国际数学联盟于1990年将菲尔兹奖授予了威顿。爱德华·威顿也是唯一获得这项荣誉的物理学家。
这就是M理论的由来。
在M理论中,空间具有11维,而我们能看到的维度只有4维,因为另外7个维度蜷缩在真空里,这叫做“紧致化”(compactifying)。也就是说,另外7个维度会卷曲成一个圆环状。如果我们能够把时空无限地放大,放大到普朗克尺度,便会看到一个个由7维时空构成的圆环,这就像是一根水管,如果你离远了看,它就是一条线。但是走近了看它,便会发现它是有横截面的。至此人们也意识到,物质的基本结构可以不是一维的弦,也可以是二维的膜,三维的方块,等等。
M理论相对于弦理论的最大优越性,可能就在于这些高纬度不仅不是很小,实际上反而相当大,甚至可以在实验室中观察到。M理论第一次被验证是在1996年。
早在1974年,霍金就提出了黑洞熵理论。大家知道,在经典广义相对论的范畴下,黑洞遵循“无毛定理”,即它只具有三个物理量:质量、角动量、电荷。而无毛定理认为一旦这三个物理量被确定,黑洞就被唯一地确定下来了。不过,由于黑洞没有熵的定义,随之而来的问题是:倘若粒子(或其他任何东西)落入黑洞后,它们的熵便由此消失,如此宇宙作为一个孤立系统,其中的熵就会减少,这违背了热力学第二定律。但是,霍金认为黑洞并不是完全“黑”的,而是会向外辐射能量。所以,黑洞必须有熵(将另文详谈熵)。
1996年,哈佛大学的安德鲁·斯特罗明格和伊朗裔美国弦理论家卡姆朗·瓦法共同发现了通过M理论计算的黑洞熵,这符合霍金的预测。至此,人们更加相信M理论能够统治宇宙,于是掀起了第二次超弦革命的热潮。
但是,即便如此,M理论同样也有很多弊端。比如,M理论在求解方程的时候,甚至连方程都是近似的,更别说结果了。再加上难懂的数学基础,使人们研究M理论的门槛大大提高。此外,按照目前的技术手段,我们需要一个能量高到无法想象的加速器,这在短期内还都无法实现。不过,也许在不久的将来,我们能够见证吧……
本栏近期3篇文章,简单地介绍了弦理论的发展。小结如下:
按照超弦理论,粒子并非是宇宙的基本元素,宇宙的基本元素是弦,是能够储存大量数据的最精简的方式之一,物理定律就相当于琴弦的合音定律。而我们现实的物质世界,就像是一个乐队,以宇宙弦作为提琴上的弦,用超弦理论为基础,演奏出一曲壮丽的交响乐!
至于超弦理论的M理论能不能成为第一个万有理论呢?拭目以待吧。
2019年06月04日写于多伦多
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