爱因斯坦遗产:弦理论与科学想象的世界

发布时间：2023-06-30 14:10:42 所属栏目：外闻来源：

导读：在爱因斯坦生命的最后20年里，他是物理学界的一个怪人，就像一个受人爱戴的古怪叔叔，他最喜欢的一段谈话因为这个主题不可避免的引来了周围不少人投来的尴尬的目光。

当相对论的量子理论，即无限小的理论，正在以

在爱因斯坦生命的最后20年里，他是物理学界的一个怪人，就像一个受人爱戴的古怪叔叔，他最喜欢的一段谈话因为这个主题不可避免的引来了周围不少人投来的尴尬的目光。

当相对论的量子理论，即无限小的理论，正在以前所未有的精度无限大地进行测试实验时，他一如既往地拒绝接受这绝不可能是终极理论的说法。在他生命的最后几年里，他一直在研究如何调和他自己的引力理论和对世界的量子描述。但没有成功，没有看到他最亲爱的梦想实现就去世了。

40多年后，爱因斯坦几乎得到了平反，广义相对论和量子力学之间长期不相容的问题似乎正在走向解决。这个解决方案可能难以把握。如果参与所谓的 "超弦理论"（简称弦）的少数物理学家是正确的，那么我们生活在一个比你可能想象的还要奇怪的世界。

一个空间和时间之间的区别是虚假的世界（正如广义相对论所教导的）。在这个变化无常的世界里，存在于空间和时间的概念本身必然意味着会随着时间消失。用哥伦比亚大学教授格林的话说，"如果弦理论是正确的，我们宇宙的结构具有甚至让爱因斯坦都感到眼花缭乱的特性。"

在弦理论中，不存在基本粒子（如电子或夸克），而是振动的弦片。每种振动模式对应一个不同的粒子，并决定其电荷和质量。在目前对该理论的理解中，这些弦不是 "由 "任何东西构成的，它们是物质的基本成分。

用振动的微观弦来取代点状粒子的后果是巨大的。描述这些弦的一致的框架意味着一个10维甚至可以想象的11维的世界，其中6或7维被卷起来。这些额外的维度决定了我们所处世界的属性。较大的维度是我们所感知到的普通空间和时间。

在超弦理论的10维时空中，我们仍然只观察到一个4维的时空。如果超弦理论要真实的描述我们的现有宇宙，我们可能需要以某种不可思议的方式将这两者密切的联系起来。

为了做到这一点，我们将额外的6维空间蜷缩成一个小的紧凑空间。如果紧凑空间的大小是线的尺度（10-33厘米），我们就无法直接探测到这些额外维度的存在--它们实在是太小了。

作为一个"统一 "理论，弦理论试图解释自然界中观察到的所有四种力量。而事实上，弦方程的解之一是一种看起来像引力的力。这证明了弦理论的力量和美感，物理学家宁愿放弃空间和时间的概念，并承认一个十维世界也不愿质疑追求统一理论所走的道路。

弦理论可以成功地解释引力并预测超对称粒子。但直到几年前，它与物理学中的谜题没有什么联系。没有任何结果或具体预测可以炫耀。它本身可能只不过是描绘了一个复杂的美丽的抽象的数学结构而已。

事情在1996年发生了变化。当时斯特罗明格和瓦法用弦理论 "构建"了某种类型的黑洞，就像人们可以通过记下从量子力学中得出的描述电子与质子结合的方程式来 "构建 "氢原子一样。

斯特罗明格和瓦法证实了贝肯斯坦和霍金早在20世纪70年代末得出的一个结果。贝肯斯坦和霍金发现，一种特殊的黑洞中的无序（或"熵"）量非常大。

由于使用弦理论构建了这个特殊的黑洞，斯特罗明格和瓦法能够获得贝肯斯坦和霍金所预测的无序的正确值。这一结果使物理学界为之振奋。这是第一次，用"经典物理学 "得出的结果可以从弦理论中得到。

还没有人知道弦理论是否是终极理论，万物理论，如果有这种东西的话。但是,该理论的精妙程度和潜力使其成为在下一个世纪中解释宇宙内部运行状况的强大的领跑者。用先驱者和领导者威滕的话说，"弦理论是二十一世纪物理学的一部分，它偶然落入了二十世纪"。

一个有26个维度的理论，具有想象中的质量的物体，可以破坏我们宇宙的物理学，以及粒子和力量只是振动模式的激发的概念，以及它所带来的一切，都是令人难以置信的。

弦理论的基础，宇宙中的所有物质都是由微小的一维弦组成的，而不是点状粒子（其本质是0维的）。"弦"是微小的纯能量，是我们宇宙中物质和力相互作用的最小成分。一般量子弦的长度约为10-33厘米的长度（那是相当惊人的小）。

在弦理论家眼里，所有的宇宙成分（费米子、夸克和轻子、强子、玻色子和力的载体[如光子]）都是由其弦的振动模式（通常是方向）定义的。

传统的弦理论包括两种弦，开放的和封闭的。那些开放的弦一般都有端点，其长度是不同的。另一方面，封闭的弦没有端点，一般是圆形的（当然，除非它们处于振动状态）。具有讽刺意味的是，一些弦理论包含开放弦，但所有弦理论都需要封闭弦。

普林斯顿大学物理学教授、《弦理论小书》的作者对该理论进行了相当好的总结，他断言，"弦理论旨在成为一个统一的图景，其中每个粒子都是弦的不同振动模式。"

弦的 "振动模式 "只是识别其振荡方式的一种花哨方式。这里有一个理论上的例子，如果一根弦以一种方式（a）振动（或摆动），它可能表现出 "向上 "夸克的特征。

当第三根弦以一种相当不同的方式（b）振动时，作为一个 "下 "夸克，所产生的相互作用简化为（a+a+b）*或两个上夸克和一个下夸克。两个上夸克和一个下夸克的结果产生一个质子。

在弦理论中，夸克本身包含存在于一维平面上的能量碎片--长度。如果一个物体只有长度，那么它一定是无限细的（没有深度），因此它必须被设想为一个线段。

科学家们选择了 "弦 "而不是 "线段"，因为弦是柔性的，可以以几乎无限的方式扭曲，从而产生几乎无限的振动模式或 "音调 "的光谱。

分支点和超弦理论，弦理论虽然在许多方面享有盛名，特别是在广义相对论的量子力学和宇宙学相互作用方面--但狭义相对论确实存在巨大的缺陷，可以把宇宙有形无形地翻个底朝天。

它为量子层面上的相互作用提供了一个合理的假设，从夸克是由什么组成的到长期寻求的引力子（介导引力作用，一个无质量的粒子，其自旋为+/-2的整数）。

弦理论中的二十六维时空有重大缺陷；其中有两个缺陷，"玻色 "弦理论（最初的弦理论）不允许费米子（质子、中子等），只允许力的载体（玻色子，因此被称为 "玻色"），这与宇宙的可观测功能相矛盾。

二十六维时空必须包括 "超子"。(虽然《星际迷航》的粉丝们可能会欢呼雀跃，但超光子却不是弦理论所钟爱的东西。

它们具有负质量的特性（这基本上意味着假想质量，而且容易出现一种不稳定性，科学家将其称为"超速子 "性质）。而具有负质量或假想质量的宇宙成分使宇宙的某些方面和测量本身成为假想的，这就是超弦理论的作用。

超弦理论将维度从26个减少到10个，消除了超光子的问题，而且它仍然提供了引力子。(值得注意的是，虽然有五种超弦理论，但在第二次超弦革命期间，它们被称为描述同一理论或"M理论 "的替代手段）。

超弦理论中的 "超 "只是指 "超对称"，意味着标准模型中的粒子有超对称的伙伴，或 "超级伙伴"。超级伙伴的例子包括希格斯玻子的s-希格斯、电子的s-电子和夸克的s-夸克等等。

人们注意到，这些物体大多被复盖在独特的事件视界中，并且可以在维度（和结构）上有所不同，从点状粒子，到环状和/或管状的形状，再到多维结构，这需要非常复杂的数学来设想。

超级伙伴仍然没有被发现。尽管大型强子对撞机（LHC）正在进行很多有希望的研究，但被观测到的标准模型粒子的超级伙伴预计质量要大得多，因此需要比LHC所能提供的更多能量；这意味着超级伙伴，如果它们真的存在，目前还超出了我们的技术掌握范围。

（编辑：汽车网）

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