通俗科普弦理论和M理论,我们的宇宙是十一维度的?
弦理论讲述的是什么?如果你在大街上随便采访一个人,十有八九都不了解。即便有了解的,基本上也只是听说过而已,很难比较深入地了解弦理论到底是一个什么样的理论。对于普通人来讲,弦理论太深奥了。
喜欢科幻电影和小说的伙伴们,应该在电影小说里看过关于弦理论的相关故事情节,但一般这种情节都比较烧脑,不太容易理解,特别是弦理论还需要借助一些数学工具才能更准确地描述出来。
弦理论是我们认识世界的一种方式,主要是关于“宇宙万物到底由什么组成的?”。以前人们认为最小的结构单元是原子,后来发现了更小的电子,质子,质子下面还有夸克。但是还有没有比夸克更小的结构单元呢?
目前的科学理论(粒子标准模型)认为,电子,夸克等粒子都是基本粒子,它们是不能再分的。
不过弦理论认为,宇宙万物都是由最基本的弦组成的,弦在不停地振动,就像一根振动的橡皮筋那样,弦理论可以诠释很多种物理学现象。
在物理学上,电子夸克等基本粒子是没有结构的,在数学上可以看作是一个点。但如果是这样,问题就来了:同样的一个点,为什么可以表现为不同的基本粒子?有时候表现出来夸克,有时候表现出来电子或其他基本粒子?
为什么简单的一个点可以表现出如此丰富的物理信息呢?
为了诠释这种问题,在20世纪70年代,一种前沿的理论,弦理论诞生了。根据该理论的诠释,组成宇宙万物的基本单元并不是像夸克电子这样的基本粒子,而是像弦一样不断振动的东西,一维的东西。弦不同的振动模式(比如说振动频率)就会表现出不同的粒子。弦理论刚提出了,就引起了很大的轰动,引起了很多理论物理学家的极大兴趣。
振动的弦,也分为两种形式,一种是开放的弦,称为“开弦”,就像线段一样,有两个端点。另一种是闭合的弦,就像圆圈一样。弦理论认为,传播引力的引力子就是由闭合的弦组成的。
弦理论的诞生具有一定的偶然性和必然性,下面简单说说弦理论诞生的背景。
在弦理论诞生之前(实际上至今仍是如此),科学家们一直渴望找到一个物理学界大统一理论,能够完全描述自然界四种基本作用力(强力,弱力,电磁力,引力)。
通过不断地努力,前三种力,强力弱力和电磁力终于能够统一了,但唯独引力被排除在外,科学家们一直没有找到引力子,目前关于引力子的概念都是一种假设,科学家们并没有在大型粒子对撞机中发现引力子的存在。于是科学家脑洞大开,提出了弦理论(当然过程就不是如此简单,这里只是简单描述),最先提出弦理论的是物理学家韦内齐亚诺。
随着弦理论的发展,出现了不同模式的弦理论,有多达五种弦理论。但我们都知道,描述大自然的理论应该是唯一的,不可能有两个不同的理论去描述大自然运行规律。
到了上世纪八九十年代,一个科学家站了出来,它就是爱德华威滕,创建了史无前例的M理论,统一了之前的物种弦理论。
这里的M道理是什么意思呢?有人说是Magic(谜),有人说是Master,其实这些都不对。M并没有什么非常特殊的物理学含义,它只是威腾的首字母W反过来写而已。
最开始的弦理论必须是严格的九维度空间加上一维时间,这样它才是自洽的,否则就不成立。而M理论则不然,它认为宇宙是十一维度的,十一维度理论是超引力理论,该理论中存在一个非常特殊的解,而这个解的根本并不是一维度的弦,而是二维的膜,就像一张纸那样,一张纸(膜)卷曲到非常微小的程度,就变成了一维的弦。
所以,M理论的提出开启了弦理论的二次革命,认为弦也可能不是自然界最基本的单元,而膜才是最根本的单元。
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