宇宙的琴絃:這是解決廣義相對論和量子力學衝突的完美理論嗎?

物理 宇宙 相對論 天文 江雨讀書 江雨讀書 2017-11-05

探討了這麼久物理學的常識,尤其是天體物理學、微觀物理學,一個著名理論是無論如何也繞不開的:弦理論。

宇宙的琴絃:這是解決廣義相對論和量子力學衝突的完美理論嗎?

廣義相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱理論,但在普朗克尺度以下,二者產生了不可避免的矛盾。

弦理論就誕生於這樣的背景之下。

第一,廣義相對論認為空間是平滑的

宇宙就像一張巨大的膜,像太陽這樣的大質量物體,會使空間產生彎曲。空間會影響物質的運動,彎曲的空間因此改變的地球的運動方式。

第二,量子力學認為空間在微觀層面是瘋狂漲落的

量子力學中的“不確定性”原理認為:如果我們把觀察範圍縮小,那即使是在看似一片虛無的空間裡,也存在著大量的活動。宇宙在微觀尺度上是一個混沌、瘋狂的世界。

一個粒子的位置和速度,不可能同時被確定。如果它的位置越確定,那它速度的不確定性就越高;如果速度越確定,那位置的不確定性就越高。

假如在一個很大的盒子裡裝著一個電子,如果把盒子慢慢往裡擠壓,越擠越小,那電子在位置上的確定性就變高了,但電子的行動軌跡會越來越難以預料,速度也會變得越來越不確定。

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第三,弦理論解決了量子力學和廣義相對論之間的衝突

弦理論認為,如果把基本粒子放大,會發現它們是由一個個小環構成的。每個粒子都像是一根無限細的、一維的橡皮筋。“弦”的不同震動方式產生了不同的粒子。

我們可以把弦理論中的“弦”想象成樂器的弦:通過不同的彈奏力度,可以讓同樣的弦產生不同的振動,發出不同的聲音。

宇宙的琴絃:這是解決廣義相對論和量子力學衝突的完美理論嗎?

弦理論裡的弦也是這樣,雖然所有的弦都是一樣的,但這些弦有不同的振動模式,所以可以產生不同的粒子。比如說,如果弦的振幅大,波長小,那產生粒子攜帶的能量就高。

這就改變了主流的“標準模型理論”,物質不再是由各種點一樣的粒子構成的,由此解決了相對論和量子力學之間的衝突。

為什麼這麼說呢?

因為量子力學和廣義相對論的衝突,只有在普朗克尺度下才會展現出來。

而在弦理論中,空間並不是可以無限切割的:由於物質的基本構成元素是弦,而弦的平均長度大約是普朗克尺度,因此在普朗克尺度以下的空間裡所發生的事是無法影響到任何事物的。

也就是說,量子力學和廣義相對論的衝突在弦理論中其實是不存在的。

如果用手去摸一塊精心加工過的花崗石,你會感覺它特別光滑。但如果用顯微鏡來觀察它的表面,就會發現花崗石的表面有許多顆粒,只是這些顆粒太小,手根本感覺不到。

這些小顆粒已經超出了手的感知範圍,對於手來說它是沒有意義的。

同樣的道理,如果我們把手換成弦的話,那就意味著,如果一個東西比弦還小,對弦都產生不了影響,對於我們來說,也是沒有意義的。

宇宙的琴絃:這是解決廣義相對論和量子力學衝突的完美理論嗎?

三、弦理論推翻了許多對於宇宙的傳統的認知

科學家通過數學推導發現,弦理論中的宇宙應該是11維的。利用弦理論,科學家們還在黑洞和基本粒子之間建立了無懈可擊的聯繫。

第四,在弦理論中,宇宙是11維的

科學家通過數學推導發現,弦理論中的宇宙應該有10個空間維度和1個時間維度,一共11維。10個空間維中,有3個維度是展開的,也就是我們所感受到的三維世界,而其餘的7個維度是蜷曲起來的,目前還觀測不到。當然,這一理論目前還不成熟。

舉個例子,如果離遠一點觀察水管,會認為這根水管是一維的,螞蟻只能進行一維運動。但如果我們湊近了看,就會發現水管還是有粗細的,螞蟻不光可以順著水管的方向爬,它也可以在水管上轉圈爬。轉圈的那個方向,也是一個維度。

我們的宇宙就像這根水管,有些維度是展開的,有些維度是蜷曲的。

宇宙的琴絃:這是解決廣義相對論和量子力學衝突的完美理論嗎?

這個《三體》裡面劉慈欣認為宇宙文明是點狀分佈差不多。

離遠了看,維度就沒有意義了。

同樣,粒子無限分割也沒有意義。

在弦理論的世界中,空間只能小到弦的尺度,不能再小了。

關於弦理論您還有什麼觀點,歡迎關注、留言。

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