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弦理论:宇宙只能是26维度,这样才能兼容广义相对论和量子力学

有物理学家认为超弦理论目前的窘境正是奥卡姆剃刀 “如无必要,勿增实体”的最好诠释

也有物理学家认为,超弦理论是未来最有可能成为万有理论的候选者。

超弦理论的前身是弦理论,而弦理论就是为了解决广义相对论和量子力学不兼容的问题而生的。


宇宙是由物质构成的,当我们将物质放大,会发现它们又由各种粒子构成的,这些粒子有电子,夸克和中微子等等

粒子一直在宇宙中运动并且相互作用,比如夸克靠胶子进行强相互作用,电子靠光子进行电磁相互作用

这些粒子组成了标准模型,标准模型也是人类对微观粒子最精确的数学解释。


按照粒子的自旋类型划分,标准模型中粒子可以划分为两大类,自旋为整数的是玻色子,比如光子 。自旋为半整数的是费米子,比如电子。

但是标准模型并不是解释所有微观粒子的终极理论。

到目前为止,人类发现大自然只有四种基本相互作用力,按照强度划分,依次是强力,电磁力,弱力和万有引力。


力的传播需要介质。比如强力,电磁力和弱力都有传播介质。

所以我们也不得不相信引力也有自己特有的传播介质。虽然我们暂时没有找到这种传播介质,但我们仍然相信引力的“传播子”是存在的。

按照正常的物理思维,如果引力的传播子存在,那么它一定也是一种客观粒子,也是可以被纳入到标准模型中的。

但事与愿违,爱因斯坦活着的时候就致力于统一电磁力和引力,但终其一生也未能如愿。

在20世纪上半叶,科学家还发现弱力和强力,在杨振宁等物理学家的努力下,弱力和电磁力率先统一起来了。到了20世纪80年代,强力,弱力和电磁力都可以用标准模型来解释,唯独引力与标准模型格格不入。

在信仰的加持下,物理学家相信,既然引力也是力,那么就一定会和其他三种力一样,是可以被一个更大的统一理论来解释的。

按照量子力学的预想,想要把引力纳入到标准模型的关键点 就是要找到引力的传播子,也就是引力子。

广义相对论认为物体之间的引力是通过时空弯曲来实现的。引力好像没有通过任何介质就可以超距作用来传递力。而量子力学认为,时空曲率之所以可以传递引力必然是依靠一个最基本的粒子来完成的,这就是曲率量子,也就是我们熟知的引力子。

令人绝望的事情发生了,当物理学家尝试将引力子纳入到标准模型中时,计算就会得到一个无限大的结果。

这就意味着,我们暂时无法用量子力学描述引力,即便科学家经过了半个世纪的尝试,广义相对论的引力理论和量子力学依旧是不兼容的。

每一个物理学家都坚信,宇宙规律不可能是局域的,四个基本作用力必然是可以被统一起来的。

为了信仰,物理学家不得不寻求新的理论来统一万有引力和其他三个基本作用力。

目前最有可能成功的理论就是弦理论。

在量子力学中,标准模型中的粒子都被认为没有内部结构的“量纲”粒子,通俗一点说,这些粒子已经是最小的了,不可以再分了,包括引力子,也是不可以再细分的粒子。

而弦理论认为,既然引力子和标准模型中的其他粒子无法兼容在一起,那么是不是意味着引力子和其他基本粒子是有内部构造的,它们是可以在更小的尺度上被统一起来的。



所以在弦理论中,基本粒子只是一个近似值,如果放大这些粒子,就会发现它们都是由一根小弦构成的,这些弦有时打开,有时闭合。这些弦就像皮筋一样,也存在张力,也可以振动。

就和吉他弦一样,不同的振动方式可以产生不同的波。

如果振动方式不同,那么就会产生第一种波,第二种波,第三种波依次类推,不同振动的波在量子尺度上就会表现成不同类型的粒子。

通过弦理论的计算,有些弦振动出的结果像光子,有些弦振动像引力子。

如果我们相信,所有的基本粒子都是由更小尺度的弦构成,我们自然可以相信引力子也是由弦构成的。

但是弦理论是一种饱受诟病,因为它不符合了“如无必要,勿增实体”的观念。

有了弦理论,引力子是可以和标准模型融洽了,但是又产生了更多的问题暂时无法解决。

第一个问题,所有弦的振动都表现得像是玻色子,比如光子和引力子!

但是我们的世界却真实存在着像电子这样的费米子,按照弦理论,所有振动模式的弦都无法生成费米子,这与客观事实违背!

第二个问题,在弦理论的预测中,会产生质量会虚的超光速粒子-快子。“快子”的质量是一个负数的平方根。

第三个问题,我们感知到的宇宙是四维时空,是三个维度的空间加上第四维度的时间。但是弦理论却只能适用于26维度的宇宙。弦理论适用的宇宙和我们真实的宇宙相差甚远。

这种离谱程度甚至已经让很多物理学家对弦理论望而却步。

为了解决第一个和第二个问题,也就是费米子不存在和虚质量快子的问题,弦理论又额外引入新的理论。

比如向闭弦上增加一个微调机制。这样不仅可以解决费米子不存在的问题,也可以将费米子和玻色子之间对称起来。并且预测费米子和玻色子的数量一样多,这就是超对称性。这样一来,弦理论又进化成了超弦理论。

在超弦理论中,不再需要26维度的宇宙了,而是降成了10个维度,但额外多出的六个维度依旧是无法解决的问题。

现在回头来看,弦理论本来就是为了解决引力和量子力学不兼容的问题而额外引入的理论。弦理论目前没有任何强有力的实验基础,基本上都是猜想。但是把弦理论引入后,又出现了新的问题,为了解决这些问题,又引入超弦理论。但是超弦理论也面临难以解决的多维度问题。


所以为了解决10维度的问题,又得引入新的理论。

如果宇宙真是超弦理论预测的10维度(9维空间和时间),于是令人震撼的事情就发生了

我们的三维空间就是9维空间的一个切片。宇宙空间是9+1维时空中的D3膜,我们还无法感知到四维时空以外的其余六个维度。

超弦理论发展到这一步,甚至很多物理学家都不忍直视了,于是出现了十分牵强附会的解释,有物理学家认为,虽然宇宙有10个维度,但是其他六个维度都特别小,所以我们不能感知到这六个维度。

这样回头看一下,超弦理论或许正是“如无必要,勿增实体”的体现!

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