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弦理論和M理論

 風(fēng)中小海螺 2017-10-20

弦理論與回圈量子引力:在尋找大統(tǒng)一問題上,如何融合相對論與量子力學(xué)成為難題,而弦理論的不斷發(fā)展似乎為問題的解決提供了答案。同時,回圈量子引力論(LQG)也解決了萬有引力量子化的問題。第五章提到,2009年發(fā)表的時間與空間的分離“霍扎瓦重力”理論,通過修改相對論方程,相對論的含義也為問題解決提供了一種新的方案。而這里簡單提出弦的理論與回圈量子力,主要是研究萬有引力在弦理論與回圈量子引力中的表達(dá)。試圖改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)認(rèn)識,為糾正萬有引力的傳統(tǒng)誤解找到邏輯。弦理論即弦論是現(xiàn)代理論物理學(xué)上的一個熱門學(xué)說。弦論的一個基本觀點(diǎn)就是:自然界的基本單元不再是有電子、光子、中微子和夸克之類的粒子組成,而是由一條條不斷震動的開弦或者閉弦組成。不同弦的振幅與頻率構(gòu)成不同的粒子,包含正反夸克、正反電子、正反中微子等等,以及四種基本作用力“粒子”(強(qiáng)、弱作用力粒子、電磁力粒子以及引力粒子),都是由一小段的不停抖動的能量弦線所構(gòu)成,而各種粒子彼此之間的差異只是因?yàn)橄揖€抖動的方式和形狀不同而已。一段弦可以有許多諧振模式,不同的基本粒子就被詮釋為這些不同的諧振模式,同時不同的弦也互相作用。在弦理論中,由于弦的延展性(一維而不是一個點(diǎn)),引力和光滑的時空觀念在比弦尺度還小的距離下失去了意義,時空量子泡沬由“弦?guī)缀巍贝媪?,有人把萬有引力當(dāng)做一種閉合的弦。現(xiàn)在,用弦理論已經(jīng)解決了有關(guān)黑洞量子力學(xué)的一些疑難問題。弦理論的核心框架一根植物纖維看起來就是一條線,只有一個坐標(biāo)表述其長度,我們說它是一維的。無數(shù)植物纖維做成的一張紙,這張有兩個方向坐標(biāo)系的紙是二維平面結(jié)構(gòu)。但是紙箱就是具有三個坐標(biāo)系描述的三維空間結(jié)構(gòu)。我們就生活在一個能感覺到的三維空間結(jié)構(gòu)里面,我們的上下左右空間就是三維空間。愛因斯坦把這樣的空間與時間結(jié)合起來,表述為難以理解的四維時空。

用弦理論解釋原子的構(gòu)成圖片來源:維基百科,弦理論,CC BY 3.0作者:Center for Computational Materials.如果用放大鏡把一維的植物纖維放大百倍,我們會發(fā)現(xiàn)植物纖維也有上下左右空間,內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是三維的。而弦理論認(rèn)為除了時間與空間的四維外,還有七維空間。其中的六維蜷曲局限在普朗克尺度(10-35米)之下。這些維度因?yàn)樘⑿《鵁o法被觀測到,但是它們類似植物纖維里藏著的三維。另外,一維屬于非常大的膜,我們的宇宙、三維空間及其他維度都在這個膜上,但是萬有引力的引力弦是可以跨越很長的,甚至超出我們的宇宙,這就是十一維弦空間。根據(jù)現(xiàn)代研究,一些弦理論學(xué)說不只是描述“弦”狀物體,還包含了點(diǎn)狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。弦理論的提出,使弦理論成為一個強(qiáng)有力的大統(tǒng)一觀念,在低維中觀測到的不同粒子也可能是同一種粒子。在額外維數(shù)空間中,它們都是同一粒子不同方向運(yùn)動的表現(xiàn)。弦理論家們認(rèn)為,弦理論不僅大大地拓展了人們的思維空間,同時也將大大地拓展人們的活動空間。按照弦理論認(rèn)為,在比原子核還小的普朗克尺度下蜷曲著其他的弦。這些弦在不停地振動,弦不同的振幅與頻率就構(gòu)成了不同粒子,弦彌漫于我們空間微小的尺寸內(nèi)。科學(xué)家們認(rèn)為雖然現(xiàn)在的觀測手段不能直接觀測到弦。但是這些維數(shù)仍將以許多間接的效應(yīng)表現(xiàn)出來。M理論及11維時空20世紀(jì)90年代,理論物理學(xué)家在10維空間弦理論的基礎(chǔ)上提出了11維空間的膜(M)理論。膜理論認(rèn)為人們直接觀測所及的好似無邊的宇宙是十維時空中的一個四維超曲面,就像薄薄的一層膜。膜理論使一些原本難以計(jì)算的東西可以用弦論工具來做嚴(yán)格的計(jì)算了。膜理論是弦理論的擴(kuò)充,膜理論揭示了弦理論的第10維空間方向,其最大維度是11維。
【062】弦理論認(rèn)為我們宇宙可能是膜狀的,在膜理論中,引力被擴(kuò)散到宇宙之外
【063】弦理論認(rèn)為,黑洞通過奇點(diǎn)相連由M理論給出的更完全的認(rèn)識,揭示了弦理論的第10維空間方向,可以通過引入“影子膜”或者Randall-Sundrum機(jī)制來解釋引力與暗物質(zhì)。Randall-Sundrum機(jī)制是一種束縛引力的新方法,有一兩個額外維非常大,甚至是無限長的。一些科學(xué)家認(rèn)為,如果想觀察這些額外維,可以通過觀測小距離情況下引力對平方反比定律的偏離或者在大功率粒子加速上能觀察到,但現(xiàn)有能力很難探測到這些額外維度。霍金認(rèn)為M理論主要代表神秘、奇跡。M理論不是一個單獨(dú)的弦理論,而是幾種弦理論的一個集合,在M理論框架下所有不同的弦理論都在物理上是等效的。沒有一種理論能夠解釋所有的現(xiàn)象,針對不同的宇宙現(xiàn)象用不同物理規(guī)律來解釋?;艚鸺耙恍┫依碚撜哒J(rèn)為黑洞正是膜世界的極端,時間旅行正是從黑洞的中心開始的,在這里存在著超光速,但是霍金不保證這肯定是從一個世界到另一個世界的捷徑。M理論認(rèn)為:從更宏觀角度看,比如從萬億光年的角度來看,我們的宇宙就像是在一張紙一樣薄的膜片或者肥皂泡膜上。光無法逃逸出膜,被限制在膜上,但是引力可以穿越宇宙的膜向外傳播。弦理論科學(xué)家假定,宇宙中所有粒子都被局限在一個四維的膜宇宙(brane)中,而膜宇宙又漂浮在一個更高維度的體宇宙(bulk)里。不過幾種特殊的粒子可以從膜宇宙中穿入穿出,其中最出眾的就是引力子和惰性中微子。弦理論之所以被物理學(xué)家如此地關(guān)注,是因?yàn)樗鉀Q了量子力學(xué)與相對論的矛盾沖突。很多科學(xué)家認(rèn)為它很有可能會成為終極理論,但是弦理論有其本身的缺陷,這些缺陷導(dǎo)致弦理論處于非常不利的地位。
【064】肥皂泡,膜理論,宇宙【065】肥皂泡,膜理論,弦理論認(rèn)為,多重宇宙里,不同宇宙的碰撞,導(dǎo)致我們宇宙產(chǎn)生爆炸弦理論的缺陷弦理論在很好地解決了大統(tǒng)一理論的同時,也有很多的缺陷。第一,弦理論是數(shù)學(xué)模型。在未獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前,弦理論是屬于哲學(xué)的范疇,不能完全算是物理學(xué)。無法獲得實(shí)驗(yàn)證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預(yù)測,另一個則是目前的高速粒子加速器還不夠強(qiáng)大。雖然弦理論是物理學(xué)的分支之一,但仍有一些人主張鑒于弦理論目前不可實(shí)驗(yàn)的情況,從嚴(yán)格定義上來說應(yīng)該被稱為是一個數(shù)學(xué)框架而非科學(xué)。一個有效的理論必須通過實(shí)驗(yàn)與觀察并被經(jīng)驗(yàn)地證明。不少物理學(xué)家們主張要通過一些實(shí)驗(yàn)途徑去證實(shí)弦理論。盡管許多人一直保持懷疑態(tài)度,但一些科學(xué)家希望借助歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)通過更高能量的對撞驗(yàn)證弦理論,以獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在數(shù)學(xué)的層次上,另一個問題是:如同很多量子場論,弦理論的很大一部分仍然是微擾地用公式表達(dá)的(即為對連續(xù)的逼近,而非一個精確的解)。雖然非微擾技術(shù)有相當(dāng)大的進(jìn)步,包括猜測時空中滿足某些漸進(jìn)性的完整定義,但是一個非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏完美性的。第二,超對稱的難以檢驗(yàn)。忙碌在歐洲大型對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們剛剛宣布了重大消息,就是發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子痕跡。很多科學(xué)家們開始對歐洲大型對撞機(jī)能夠發(fā)現(xiàn)弦理論中的超對稱粒子寄予厚望。如果發(fā)現(xiàn),將是物理學(xué)上的大突破。首先超弦理論避免了試圖將引力量子化時產(chǎn)生的紫外發(fā)散,同時它也比傳統(tǒng)量子場論更具預(yù)言能力,比如它曾對粒子相互作用中提出超對稱粒子的概念。弦理論者認(rèn)為歐洲大型對撞機(jī)能夠在接近當(dāng)前能量的基礎(chǔ)上,可能發(fā)現(xiàn)超對稱粒子對粒子對撞實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。如果超對稱粒子將被實(shí)驗(yàn)證實(shí),在物理學(xué)上將具有重要的意義。再者弦理論涉及到磁單極在超弦理論的結(jié)構(gòu)中起著重要作用,如果超弦理論成立,磁單極子就必須存在,雖然其密度也許已被宇宙暴漲稀釋到無法觀測的程度。如果超對稱性在大型強(qiáng)子對撞機(jī)中被檢測到,它不一定會被看做弦理論的一個直接證明。然而,如果超對稱性未被檢測出,人們必須重新思考弦理論是否正確。第三,不可靠的背景依賴。有關(guān)弦理論應(yīng)用的一個中心問題是:弦理論最好的理解背景保存著大部分從時不變的時空得出的的超對稱性潛在理論。目前,弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題。在弦理論目前的構(gòu)想中,由于弦理論對背景的依賴,它描述的是關(guān)于固定時空背景的微擾膨脹,它可能不是真正基礎(chǔ)的真實(shí)情況。第四,數(shù)量龐大的答案。弦理論允許太多的可能性方案,弦理論允許很多不同的宇宙定律,根據(jù)不用的維在空間力蜷縮不同的形式、振動、作用原理,意味著有數(shù)百萬億的不同宇宙空間及其定律。如果有人從宇宙大爆炸開始就計(jì)算這些定律,一百億年來,其實(shí)這個人只計(jì)算了其中的不到百萬億分之一?;艚鹫J(rèn)為得有10的500次方的結(jié)果。顯然霍金本人是不樂意的,因?yàn)檫@失去了霍金本人的簡學(xué)美的要求。雖然弦理論很好地解釋了包括基本粒子構(gòu)成與引力在內(nèi)的四大基本力的相互作用,但是任意調(diào)整性太多,太抽象。弦理論的多維來源本身也是物理學(xué)之謎,各維之間的內(nèi)在聯(lián)系性非常差,這不應(yīng)該是物理世界的本質(zhì)。而在本文提到的圓轉(zhuǎn)無窮的宇宙模型里只有三個簡潔的要素,這個模型是:一個圓轉(zhuǎn)運(yùn)動足夠大宇宙;宇宙基本無數(shù)跳動的”無“力弦粒子;基本單元力弦粒子。在本身屬性與運(yùn)動的宇宙帶動下,多層聚合后形成一個連續(xù)的,多層級的,各種作用力的,微觀粒子與宏觀星系的宇宙體系。相比弦理論,引用愛因斯坦的話,這個模型就是簡單的不能再簡單了。這個模型幾乎可以解釋所有的物理學(xué)之謎,甚至也可以解釋生命的誕生與人的意識之謎等。

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