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万有物理学:了解超弦理论(多维空间)

自我鉴别、理性评论、切勿迷信


这篇文章是解释上一篇文章里的内容:【探讨话题】其他纬度的生命真的生活在我们身边吗?


对于我们大多数人来说,无法想象三维以上的空间究竟是什么样的世界,当我们凭直觉知道这样的世界不可能存在时,我们的直觉是正确的吗?还是我们的大脑根本无法想象这样的维度。


一个工程师,一个数学家和一个物理学家分别走进宇宙,那么他们都发现了多少维度?


  • 工程师拿出量角器,把它拉直,说这很容易,然后他用尺子展示了三个相互垂直的方向:长度、宽度和高度,“有三个维度” 这是他的结果。


  • 数学家拿出他的记事本,创建了一列规则、对称、两边垂直的几何图形,他指出:正方形有四条直线的边,而立方体有六方面;根据推算,超立方体有8个面,根据这个模式,他可以一直无穷的推算下去。


  • 最后轮到物理学家了,他抬头凝视着星星,仔细地记录着它们的轨迹。他确定它们是通过引力互相吸引,引力随着彼此的距离逐渐减小,他认为这是三维;然而他推导出光在空间移动的方程式后,他发现了四维最好的表达方式;经过深思熟虑,他试着用一个普通的理论来描述重力和光,可这个理论似乎最少需要十个维度,甚至更多。



下面进入正文:

这里有你想要了解的关于弦理论的所有东西,弦理论是迄今为止最引人注目(也是最有争议的)物理学理论之一。

弦理论有26个维度,它假设有可能破坏我们整个宇宙所有物理的虚质量物体,粒子和力仅仅是由振动激发的结果,以及整个理论所包含的一切内容,都是令人难以置信的。但是,它怎么可能说得通呢?毕竟,我们只经历了四个维度(空间的三个维度和时间的一个维度),所以26个维度比4个维度多了22个维度。


这就是“超弦理论”出现的缘由。


弦理论的基础


弦理论指出,宇宙中的所有物质都是由微小的一维弦组成的,而不是点状粒子本质上是0维的。根据弦理论,是我们宇宙中物质和力相互作用最小的纯能量的微小部分。一般量子弦近似为10-33厘米长(这是非常小的长度)

在弦理论家看来,所有的普遍成分费米子、夸克和轻子、强子、玻色子和光量子这样的力载流子都是由弦的振动模式(通常是排列方向)决定的。

“粒子热:物理标准模型中的粒子”。在弦理论中,所有基本粒子都被认为是能量“弦”在其中心附近振动的表现。(图片来源:邓肯赫尔)


传统弦理论包括开弦和闭弦两种。开弦通常有端点,这些端点的长度是不同的。另一方面,闭弦没有端点,通常是圆形的当然,除非它们处于振动状态。具有讽刺意味的是,理论包含开弦,但所有理论必须有闭弦。

普林斯顿大学物理学教授斯蒂文·S.古布泽(Steven S.Gubser)的著作《弦理论很好地总结了这一理论,并称,“弦理论旨在成为一幅统一的画面,其中每个[粒子]都是一个不同的弦的振动”。


物质的不同放大程度(1-5),以弦的模式(6)结尾。图片由MissMJ,维基媒体共享。


弦的振动模式只是识别其振荡方式的一种奇特的方式。以下是一个理论示例:如果一个弦以一种方式振动(或摆动)(a),它可以表现出向上夸克的特征。如果第二个弦具有相同的性质,我们现在有两个(a-振动)弦,或者说是两个向上夸克。然而,当第三个弦以一种完全不同的方式振动时,是向下夸克,则其产生的相互作用简化为(a+b)*,也就是两个上夸克和一个下夸克。两个向上夸克和一个向下夸克的作用结果是产生一个质子。

*加号“+”是一个书面上的数学相互作用,它可以看作是新的“夸克”之间的相互作用,实际上/粒子本身!弦理论家称这些振荡(G)是强核力量的来源,而且不能脱离这种量子系统而独立存在。

反过来看:质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的复合粒子或强子,每个夸克都是它所代表的弦的表现形式。

在弦理论中,夸克本身包含存在于一维——长度上的能量碎片。如果一个物体只有长度,那它就是无限细的(且没有深度),因此它必须被想象成一个线段。科学家选择用“弦”而不是“线段”来定义,是因为弦是灵活的,可以几乎无限种方式扭曲,从而产生几乎无限的振动模式或“音调”。

弦理论虽然在许多方面享有盛誉特别是在量子力学和宇宙学方面但它确实也有彻底颠覆宇宙的缺陷。因为它提供了量子平面上相互作用的合理假设,从夸克的构造到长期追求的引力子(介导引力相互作用,无质量粒子的整数自旋+/- 2)。

然而,当弦理论的复杂数学计算需要在二十六个空间维度起作用时,问题就出现了。尽管二十六个维度显然太多,但它们可以在时空中扭曲或甚至折叠成微小的紧凑区域,因此可能将维度减小到四个。然而,弦理论中的二十六维时空存在重大缺陷, 这两个是:


  1. “Bosonic”弦理论(原弦理论)不许可费米子(质子,中子等),只许可力载体(玻色子,因此称为玻色子),这与宇宙的可观察函数相矛盾。

  2. 二十六维时空必须包括“超光速粒子”。(虽然《星际迷航》的粉丝可能会高兴得跳起来,但是超光速粒子在弦理论中不受欢迎的。它们具有负质量属性(基本上意味着虚构的质量,并且很容易变得不稳定,因此科学家将其属性命名为“超光速”。宇宙中具有负或虚构质量的成分使得宇宙的某些方面和测量值一样——本身就是虚构的。

这就是超弦理论的来源

六维的卡拉比-丘(Calabi-Yau)形状可以解释超弦理论所需要的额外维度


将维度从26个减少到10个,这样就消除了超光速粒子问题,它仍然存在引力子。(值得注意的是,尽管目前有五种超弦理论,但在第二次超弦革命中,它们被用来替代相同理论者叫“M理论。)

超弦理论中的超级仅仅指“超对称,意味着标准模型中的粒子具有超对称伙伴,也叫“超级伙伴。超级伙伴的例子比如希格斯玻色子(上帝粒子)超希格斯粒子或者叫shiggs),超对称电子(selectrons)和超对称夸克squarks)。

超弦理论中很复杂的一个方面膜跟弦类似,但它们可以延伸到任意数量的维度人们注意到,大多数被覆盖独特的事件视界并且可以在维度(和结构)上任意变化:从点粒子到圆环和/或管状形状,到多维结构,不过这需要通过非常复杂的数学来设想。

对这种膜的研究叫做膜宇宙论(brane cosmology正如电子,正电子以及那些在发现以前的几十年就被人预测的粒子,超弦理论为量子引力学提供了关于膜、弦和模型的非常丰富的见解

也就是说,超级伙伴目前仍未被真正检测到。尽管大型强子对撞机(LHC)正在进行大量有前途的研究,但预计观测到的标准模型颗粒的超级伙伴数量将更加庞大,因此需要的能量比LHC所能提供的更多如果超级伙伴确实存在,说明它们目前存在于我们的技术把握范围之外

最后,如没有超对称粒子,超弦理论出现严重的麻烦,是的,它们也叫超粒子(sparticles)。


翻译:静静


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