 編注：這篇文章并不是詳細(xì)介紹某一理論學(xué)說的,，它只是在有限的內(nèi)容里,，盡可能地梳理為何科學(xué)研究會(huì)從廣義相對論一直走到超弦理論。以及為何當(dāng)時(shí)科學(xué)家們要如此去開展相關(guān)研究,。文章用詞盡量簡單化,，但是很多專業(yè)詞如果不是很理解，沒有關(guān)系的,，大膽讀下去即可,，以后有時(shí)間再去細(xì)細(xì)研究即可。最后,，祝你好運(yùn),！ 麥克斯韋毋庸置疑是偉大的，普朗克也毋庸置疑是偉大的,，而愛因斯坦更是公認(rèn)的偉大,。但是，偉人們在給我描繪美好圖景的同時(shí),，也會(huì)讓我們看到美中不足,。 愛因斯坦在他晚年時(shí),，一直努力嘗試將廣義相對論和量子力學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一，但可惜的是,，直到他去世時(shí)也沒能得到一個(gè)結(jié)果,！ 測不準(zhǔn)原理 為何愛因斯坦要將廣義相對論和量子力學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一呢？在當(dāng)時(shí),，愛因斯坦的廣義相對論可謂是一門精致的不能再精致的理論,。 它在解釋大型天體等各種宏觀宇宙現(xiàn)象時(shí)精準(zhǔn)性可謂是無一例外。但是,，就在這時(shí),，量子力學(xué)研究里傳來了“測不準(zhǔn)原理”的消息,。 什么叫測不準(zhǔn),？要知道，如果我們向空中拋出一個(gè)物體,，物體將會(huì)在空中做拋物線運(yùn)動(dòng),。在拋物線的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，我都只要獲得足夠的參數(shù),，我們就可以測的物體的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度,，也就是說物體在空中的運(yùn)動(dòng)軌跡是可以預(yù)測的。 然而,，到了微觀粒子,，這種預(yù)測性行為卻很難進(jìn)行。比如我們要預(yù)測電子的運(yùn)動(dòng)軌跡,，我們就要需要知道電子在某一刻某個(gè)地點(diǎn)的速度參數(shù),。 如果人類要觀察到它，就必須得將至少一個(gè)光子打到電子身上,，這樣我們的眼睛才能看見它,。 但是因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小很小，哪怕一個(gè)光子打在電子上面,，也會(huì)引起電子的角速度等發(fā)生改變,，而這一改變將會(huì)使得電子的軌跡變得不可預(yù)測。換句話說,，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡測不準(zhǔn),。這就是測不準(zhǔn)原理。 剛開始,，人們以為這是實(shí)驗(yàn)誤差所致,，只要通過改善試驗(yàn)條件還是可以測到的。但是隨著數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)的逐漸深入,，人們才發(fā)現(xiàn),，想要琢磨微觀粒子的行徑是不可能的,。 于是，廣義相對論迎來了它的挑戰(zhàn),！雖然廣義相對論很精致,，但是它在解釋物理現(xiàn)象時(shí)其實(shí)還是在牛頓經(jīng)典物理下的結(jié)果。
愛因斯坦 上帝擲骰子嗎,？ 何為經(jīng)典物理,？即時(shí)間是個(gè)單一不變的量，物體的行為都只有一種歷史模式,。而量子力學(xué)卻認(rèn)為粒子的行為可以有無數(shù)個(gè)歷史模型,。 換句話說，經(jīng)典物理認(rèn)為,，物體運(yùn)動(dòng)的每個(gè)時(shí)刻都只有一種路徑選擇,，而在量子力學(xué)中，粒子運(yùn)動(dòng)的每個(gè)時(shí)刻卻可以隨機(jī)有無數(shù)種選擇,。 換句話說,，量子力學(xué)認(rèn)為，微觀粒子的路徑運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的,，不可預(yù)測的,，就好比擲骰子一樣。這也是為什么愛因斯坦在駁斥量子力學(xué)時(shí)說了一句“上帝是不會(huì)擲骰子的,！”的原因,。 但是，這句話卻并沒有給愛因斯坦帶來足夠證據(jù),，反而讓其成為反面典型一直在流傳,。因?yàn)楹芏嗫茖W(xué)家都認(rèn)為上帝是擲骰子的。 顯然在解釋測不準(zhǔn)原理,，量子力學(xué)可以解釋的非常說的通,。但是量子力學(xué)也有著它自身的局限，比如量子力學(xué)無法去解釋廣義相對論下的引力的本質(zhì),。 在廣義相對論中,，愛因斯坦將引力的本質(zhì)刻畫成扭曲的空間下的不同勢能。
扭曲的時(shí)空 愛因斯坦認(rèn)為,，我們的宇宙空間就像一張平鋪的魚網(wǎng),，而天體就想一顆顆有重量的鐵球，如果誰的質(zhì)量大,，那么它將在魚網(wǎng)中下陷的越深,，也就是對鐵球周圍的空間的扭曲成都越大。而萬有引力就是這些扭曲空間下不同的類重力勢能,。 顯然,，在解釋萬有引力上,，量子力學(xué)是乏力的。 于是有意思的現(xiàn)象出現(xiàn)了,，同一個(gè)宇宙,，居然需要用兩套看似完全不同的理論進(jìn)行單獨(dú)解釋。我們很難去相信,，宇宙的宏觀面和微觀面居然不是同一種事物,。也正是在這種背景下，愛因斯坦嘗試將二者進(jìn)行統(tǒng)一的,，只不過天妒英才,，他走的太早！
既是波,，也是粒子 量子場論 于是重?fù)?dān),，自然也要順延給后來者。 所以,，從上世紀(jì)中期一直到現(xiàn)在,，現(xiàn)代物理都在努力解決這個(gè)分歧,。 科學(xué)家瘋狂地對宏觀世界進(jìn)行量子化理論研究,，于是誕生了著名的量子場論。 我們知道,，場是一種波,，無論是廣義相對論還是電磁學(xué)都是場論，而量子論下的世界是粒子,，這種完全看似矛盾的現(xiàn)象,，但是卻真實(shí)的發(fā)生在同一個(gè)宇宙身上。 我們知道,，自然界中存在四種基本力： 1,、引力：萬有引力，簡稱引力,，引力發(fā)生在任何兩個(gè)物體之間,，引力雖然很小，但是作用范圍卻極遠(yuǎn),。 2,、電磁力：電荷之間的相互吸引力，相同電荷相互排斥,，相異電荷相互吸引,。 3、強(qiáng)核力：簡稱強(qiáng)力,，將原子核內(nèi)質(zhì)子和中子束縛在一起的力,，此外,，還包括束縛質(zhì)子和中子自身的力。 4,、弱核力：簡稱弱力,，是原子核發(fā)生裂變和聚變時(shí)產(chǎn)生的力，是可以改變粒子但不致使原子核發(fā)生崩解的力,。 力這種概念,，是場論，如果能將上述中的4種基本力都能用量子論來表述,，那宏觀世界的量子化就得到成功,，現(xiàn)代物理將完全擺脫經(jīng)典物理對它的限制，自然我們也會(huì)有了一個(gè)統(tǒng)一的理論,，該種理論可以同時(shí)解釋宏觀世界和微觀世界,。
天才：費(fèi)曼
于是，第一個(gè)量子化過程開始了,，它是電磁力,。 在1940年，物理學(xué)家費(fèi)曼（這個(gè)人真是一位天才?。┖鸵恍┛茖W(xué)家將電磁力的作用機(jī)制描述為微觀粒子間類似相互傳球的過程,。 費(fèi)曼認(rèn)為，場其實(shí)就是一種粒子,，這種粒子叫做玻色子,，電子之間力的作用就是玻色子在電子之間相互跳躍帶來動(dòng)量（產(chǎn)生力）并同時(shí)被吸收的過程，而電子等這類物質(zhì)被稱為費(fèi)米子,。 在這個(gè)解釋中,，力這種場被完美的粒子化，于是在接下來的若干年的實(shí)驗(yàn)中,，費(fèi)恩曼準(zhǔn)確的預(yù)言了一系列現(xiàn)象,，這使得費(fèi)曼家喻戶曉，而費(fèi)曼創(chuàng)造的理論還有一個(gè)非常好聽的名字：量子電動(dòng)力學(xué)（QED）,！ 如果故事到這就結(jié)束了,，那一切該多好，但是宇宙是非常有意思的,，在你以為一切都已經(jīng)非常完美的時(shí)候,，他就得讓你明白你的想法其實(shí)只是一種偏見。 QED雖然解釋了一系列現(xiàn)象,，但是它還是很難處理數(shù)學(xué)上的問題,，即使費(fèi)曼創(chuàng)造性的發(fā)明了費(fèi)曼圖，這也仍然難以解釋無數(shù)歷史模型下的電子在玻色子交換過程中產(chǎn)生的無窮大問題。 在這種情況的推導(dǎo)下,，電子的電荷和質(zhì)量居然會(huì)出現(xiàn)無窮大的情況,，這顯然是與實(shí)際不符的！于是,，QED被迫進(jìn)行重正化,。 所謂重正化，實(shí)際上就是在無窮大的結(jié)果中減去一個(gè)無窮小的量,，并得出一個(gè)多余的常量,，這個(gè)常量就是電子的質(zhì)量和電荷。 幸運(yùn)的是,，人們成功的進(jìn)行了重正化,。重正化雖然解決了無窮大的問題，但是在數(shù)學(xué)上卻給人無限質(zhì)疑,，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中,，電子的質(zhì)量和電荷幾乎可以是任何數(shù)值。 不過,，總體而言,，這種重正化還算是成功的，換句話說,，電磁力的量子化基本完成,。
于是,，在接下來的幾十年中,，科學(xué)家們進(jìn)行了對強(qiáng)力,、弱力的量子化過程,，結(jié)果也可以算是成功。尤其是在對弱力的量子化過程中,，弱力被很好地進(jìn)行了解釋和預(yù)言,，而它的研究者薩拉姆和溫伯格也成功問鼎諾貝爾獎(jiǎng)。
如果說前3種力的量子化過程算是艱難,，那比起引力的量子過程簡直是小巫見大巫,！ 由于量子論中存在“測不準(zhǔn)”原理，如果將場的數(shù)量值,、變化速率與粒子的位置,、速度對應(yīng)起來的話，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn),，場的數(shù)量值和變化速率中的任何一個(gè)變量被測的越準(zhǔn)確,，則另一個(gè)變量就會(huì)變得越不準(zhǔn)確，這對于研究簡直就是一種災(zāi)難！ 但是在這個(gè)嘗試過程中,，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)論：宇宙不存在真正意義上的真空,！ 因?yàn)檎婵站鸵馕吨鴪龅拇笮『退淖兓俾识叨记『脼榱悖怯捎跍y不準(zhǔn)原理,，宇宙不允許場的大小和它的變化速率二者都是精確的,，所以宇宙空間不存在絕對的真空。 但是,，它可以有一種最小能量狀態(tài),，我們姑且稱其為真空。 但是這種真空是在量子擾動(dòng)或真空波動(dòng)的范疇內(nèi)的,，換句話說,，粒子和場在存在與不存在之間來回轉(zhuǎn)換。我們可以把真空波動(dòng)想象為幾對粒子,，它們在某時(shí)刻一起出現(xiàn),，然后分開，最后彼此湮滅,。 費(fèi)曼,，把他們的這種關(guān)系稱為閉環(huán)！這些粒子被稱為虛粒子,，與我們世界的真實(shí)粒子相對應(yīng),，可喜的是，這些虛粒子已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所捕捉到了,。 但問題是,，這些虛粒子也具有能量，并且數(shù)量無限多,，自然能量也無限多,。 于是，無窮大的問題再一次出現(xiàn)在這個(gè)過程中,，此時(shí)除非能夠進(jìn)行重正化,，否則引力量子化進(jìn)程又會(huì)陷入困境。 但是后來證實(shí),，重正化根本無法進(jìn)行,，因?yàn)閺V義相對論中不存在足夠多的可重正化參數(shù)。在這種情況下,，如果此理論還要被看作是合理的話,，它只有一條路可走，即把所有的無窮化從理論中剔除,。
弦論：粒子由振動(dòng)的能量弦構(gòu)成 弦論的“超引力” 1976年人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能解決這個(gè)問題的方案,。它被稱為“超引力”，其中的“超”不是說這種理論超級厲害，也不是一種特地附加的前綴,，“超”指的是對稱性,。 我們知道，如果一個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)在某種特定變換下,，它能保持不變,，那么它就具有對稱性。舉例而言,，天空中的正方體,，我們將正方體進(jìn)行180度的反轉(zhuǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正方體在性質(zhì)上和沒有反轉(zhuǎn)前一樣,，這就是對稱性,。 超對稱性，指的是一種更加微妙的對稱,，它可以不受空間變換的影響,。在超對稱被提出的過程中，人們發(fā)現(xiàn),，力粒子和物質(zhì)粒子（也就是力和物質(zhì)本身）,，事實(shí)上是同一事物的兩面。 這就意味著,，每個(gè)物質(zhì)粒子,，比如電子、夸克應(yīng)該具有與其相配的粒子,。這就使得解決無窮化成為一種可能,。 “超對稱”概念的建立，就來源于弦理論,。 根據(jù)弦理論,，粒子不是點(diǎn)，而是具有長度但沒有高度和寬度的振動(dòng)能量線,。 弦論也導(dǎo)致無窮,，但是人們認(rèn)為在其正確的版本中，所有的無窮都會(huì)被取消,。 除此以外，弦論還有一個(gè)非常亮眼的特征：弦論要保持連貫的話,，他必須擁有10到11個(gè)維度,。 這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果！我們知道目前可感知到的維度只有4維,，假如它正確,，那其他的維度去哪了，為什么我們覺察不到。 對此,，弦論認(rèn)為,，在宇宙大爆炸的過程中，前四維度隨著空間,、物質(zhì),、能量一起突破了原先很小的尺度范圍，而其他維度則繼續(xù)被卷曲在原來那個(gè)微小尺度內(nèi),。
霍金在電影《萬物理論》宣傳會(huì)上 萬物之理論（TOE= Theory of Everything）,！ 但是弦論對于這些額外維度的卷曲方式似乎沒有得到統(tǒng)一，目前至少存在五種弦論學(xué)說以及數(shù)百萬種卷曲方式,。 這種情況對于相信弦論的人來說是很尷尬的,，但是，到了1994年,，人們開始發(fā)現(xiàn)不同的弦論以及額外維度的不同卷曲方式,，其實(shí)就是描述四維時(shí)空中的同一現(xiàn)象的不同方法。 現(xiàn)在,，弦論學(xué)家,，已經(jīng)確信五種不同的弦論僅僅是一個(gè)更基本理論的不同近似。 而這個(gè)更為基本的理論稱為M理論,，M理論可以認(rèn)為是超弦理論的更高級版本,，M代表什么，有很多種說法,，但不得不提M理論有另一個(gè)名稱,，膜理論。 但是命名M的威頓自己說,，他沒有按“膜”的英文大寫字母M來解釋它,，他原本提倡這種理論叫M理論，其實(shí)M是Mother的意思,，意思就是所有宇宙事物的母親,，萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！
宇宙,？粒子,？ 總結(jié) 從這一路走來，一路艱辛相伴,。萬物理論的前提假設(shè),，只是人們傾向的認(rèn)為，統(tǒng)一的事物應(yīng)該可以用一種理論來描述,。 但是,，這是否真的正確,？這真是一個(gè)值得爭論的問題。 但是,，為什么一路走來,，很多弦論科學(xué)家在猶豫之后，還一直堅(jiān)持了下來呢,？ 堅(jiān)持對于科學(xué)家是需要膽量和勇氣的,！ 我想，一方面是因?yàn)樗麄冊?種力的量子化過程中看到了世界的統(tǒng)一性,，而且各種跡象也傾向地表明了這種思想的正確性,。 但是，世界就是世界,，他不會(huì)為了人類而改變自己,。在這種前提下，我們只能去認(rèn)識更多,，發(fā)現(xiàn)更多,。 但是，我們始終傾向認(rèn)為,，宇宙的本源應(yīng)是一種無比簡單純粹的規(guī)律法則,，只是我們還沒發(fā)現(xiàn)而已，而萬物理論絕對是對此進(jìn)行沖擊的一次偉大嘗試,！ ---------------------------------- |
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