宇宙隱藏在一根弦里嗎？

huyanluanyuya 2019-11-24

展開全文

萬物隱藏在怎樣的小宇宙里,？這是愛因斯坦在生命的最后30年里,，一直追尋的問題。他希望能找到一個包羅萬象的理論,，統(tǒng)一引力,、電磁力、強力,、弱力這四種自然力,，描繪一切現(xiàn)有的物理規(guī)律。

很可惜,，愛因斯坦并沒有成功,。至今為止，當(dāng)代物理學(xué)還是建立在兩套支柱理論——廣義相對論和量子力學(xué)——之上,。

是的,，望子成龍的家長們已經(jīng)開始給3歲寶寶買廣義相對論和量子力學(xué)的讀物了

但問題是，這兩大支柱理論在極端情況下出現(xiàn)了不可調(diào)和的沖突,。這就意味著,，物理學(xué)家們必須找到一套更高層的理論，來調(diào)和二者的之間的沖突,。

目前看來,，最接近這一夢想的，就是弦理論了,。

那么,，到底什么是弦理論呢？憑什么說它有可能成為大一統(tǒng)理論,？

---

在了解弦理論之前,，你需要以最簡單的方式，來了解一下當(dāng)代物理學(xué)的兩大支柱理論：廣義相對論和量子力學(xué)——別擔(dān)心,，下面的內(nèi)容很通俗,，你一定能看懂。

先來看看廣義相對論,。物理學(xué)家恵勒曾經(jīng)用一句非常簡潔的話,，概括了廣義相對論的核心內(nèi)容：“物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運動”。

在普通人看來,，空間是看不見摸不著的,。但在廣義相對論中，空間相當(dāng)于一張巨大的,、平滑的、有彈性的膜,。假如我們把一顆球放到這張巨大的膜上,，膜就會凹下去。

凹下去的膜就相當(dāng)于空間

在這個比喻中,，膜就相當(dāng)于空間,，球就相當(dāng)于太陽、地球這些星球,。球這樣的物質(zhì)放到膜上,，就會讓膜變形，球越重,，膜彎曲得就越厲害,，這就叫“物質(zhì)告訴空間如何彎曲”。

而當(dāng)空間這張膜彎曲以后,，它也會反過來影響球的運動軌跡,，這就是“空間告訴物質(zhì)如何運動”。在廣義相對論中,，引力的本質(zhì),，就是這種空間的形變影響了物質(zhì)的運動。

這張動圖是對廣義相對論最直觀的展示

現(xiàn)在你知道了,，在廣義相對論中,，空間就相當(dāng)于一張膜。請記?。?strong>這張膜是非常平滑的,。

再來看看量子力學(xué)。

可能你聽說過一個理論,，叫做“海森堡測不準原理”,，更準確的說法，叫做“不確定性原理”：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。

這位就是海森堡了。微博大V @河森堡說,，他很崇拜海森堡,，覺得他的知識就像大海一樣淵博，而自己的知識相比之下只能算是一條小河,，所以ID叫河森堡~

舉個例子,。假如你把一個電子裝進一個盒子里，然后把這個盒子慢慢往里擠壓,，越擠越小,，這時候，電子在位置上的確定性就變高了,。但此時你會發(fā)現(xiàn),，電子的速度會變得越來越不確定：它會在盒子里瘋狂沖撞，行動軌跡越來越難以預(yù)料,。

不光微觀粒子的位置和速度之間存在著關(guān)系,，能量和時間之間，同樣存在著不確定性關(guān)系：如果考察時間足夠短的話,，那粒子的能量就會在短時間內(nèi)瘋狂地漲落起伏,。

根據(jù)不確定性原理，即使是看似什么都沒有的一片空間,，如果我們把視野縮小,，就會發(fā)現(xiàn)那里也有大量的活動。

微觀世界里瘋狂的量子漲落

所以在量子力學(xué)里,，宇宙在微觀尺度上是一個混沌的,、瘋狂的世界。引力場在微觀尺度上也會因為量子漲落而波蕩起伏,，而且我們關(guān)注的空間越小,，這種起伏就越大。

好,，還記得前面講過的廣義相對論嗎,？在廣義相對論中，空間是平滑的,。而在量子力學(xué)中,，空間在微觀尺度上是劇烈漲落的，根本就不是平滑的,。所以在超微尺度上,，相對論和量子力學(xué)沖突了。

在量子理論中,，空間在微觀上是劇烈漲落的,。但在廣義相對論中,，空間是平滑的。

這個沖突,，就是弦理論誕生的背景,，也是弦理論需要解決的問題。

---

那么,，弦理論是如何解決這個沖突的呢,？

在我們的認知中，宇宙是由點狀的粒子——比如電子,、質(zhì)子——組成的,。但弦理論認為，如果我們把這些基本粒子放大,，用目前還達不到的超高精度去觀察它們，就會發(fā)現(xiàn),，這些粒子的本質(zhì),，其實是一根根小小的弦。每個粒子,，都好像是一根無限細的,、一維的橡皮筋，在不停地震動,。宇宙就是由這樣一根根震動的弦組成的,。

好吧，反正我們也觀測不到,，就算宇宙真是弦組成的,，那又如何呢？

之前說過,，在廣義相對論中,，空間是光滑的。但在量子力學(xué)中,，空間在微觀上是劇烈漲落的,。而弦理論就可以緩和廣義相對論和量子力學(xué)在超微尺度上的對立。

先來看個形象的例子,。假如你用手去撫摸一塊精心加工過的花崗石,，會感覺它特別光滑順手，毫無瑕疵,。但如果你用放大鏡去觀察它的表面,，就會發(fā)現(xiàn)它凹凸不平，有許多顆粒和坑洞,，只是它們太小,，用手根本感覺不到,。

在這個例子中，花崗石表面的小顆粒已經(jīng)超出了手的感知范圍,，對于手來說,，它是沒有意義的。同樣的道理,，如果我們把手換成弦理論中的弦,，那就意味著，如果一個東西比弦還小,，就不會對弦產(chǎn)生影響,，對于弦來說它就是沒有意義的。

我們之前說過,，量子力學(xué)和相對論的沖突,，是在超微尺度時才發(fā)生的。但實際上,，在這么小的尺度下,，無論發(fā)生怎樣的量子漲落，空間里有怎樣的滔天巨浪,，都影響不到弦,。既然影響不到整個宇宙中最小的基本單位，就更影響不到其他的各種事物了,，所以我們根本就不用管量子力學(xué)和相對論的沖突,，問題就這么解決了。