弦理论发现宇宙只有达到26维即可兼容广义相对论和量子力学

发布时间：2023-11-06 11:30:36 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　物理学试图揭示自然界的最本质规律，它涵盖了广义相对论和量子物理学两个重大理论。这两个理论分别描述了宏观和微观的物理现象，它们都有很强的实验支持和预测能力，但是它们却是不兼容

　　物理学试图揭示自然界的最本质规律，它涵盖了广义相对论和量子物理学两个重大理论。这两个理论分别描述了宏观和微观的物理现象，它们都有很强的实验支持和预测能力，但是它们却是不兼容的。这就导致了一个物理学的悖论，我们无法用现有的理论来解释宇宙的起源和本质。为了解决这个悖论，物理学家们寻求一个更高层次的理论，一个可以统一广义相对论和量子力学的理论，一个可以解释所有自然现象的理论，一个可以揭示宇宙的终极真相的理论。这个理论被称为万有理论，或者理论的理论。

　　目前，最有希望的候选者之一，就是弦理论和超弦理论。这两个理论认为，所有的基本粒子，包括引力粒子，都是由一维的弦构成的，这些弦可以在不同的维度上振动，产生不同的粒子和相互作用力。弦理论和超弦理论的优点是，它们可以实现广义相对论和量子力学的统一，它们的缺点是，它们需要引入很多额外的假设和实体，这些假设和实体都很难被实验验证，也很难被直观理解。今天将向大家介绍弦理论和超弦理论的发展历史和目前的困境，以及它们对物理学的影响和意义。

　　宇宙是什么？它是如何运行的？它是由什么构成的？这些问题一直困扰着人类，也激发了人类对物理学的探索。物理学是一门试图揭示自然界最基本的规律和原理的科学，它包括了两个最重要的理论：广义相对论和量子力学。广义相对论是爱因斯坦在20世纪初提出的，它描述了引力是如何通过时空的弯曲来传递的，它可以很好地解释宏观尺度的天体运动和引力现象。量子力学是20世纪上半叶发展起来的，它描述了微观尺度的粒子的行为和性质，它可以很好地解释原子结构和电磁辐射等现象。广义相对论和量子力学都是物理学的巅峰之作，它们都有很强的实验支持和预测能力，它们都被认为是最接近真理的理论。

　　为了解决这个悖论，物理学家们一直在寻求一个更高层次的理论，一个可以统一广义相对论和量子力学的理论，一个可以解释所有自然现象的理论，一个可以揭示宇宙的终极真相的理论。这个理论被称为万有理论，或者理论的理论。目前，最有希望成为万有理论的候选者之一，就是弦理论和超弦理论。

　　弦理论和超弦理论是20世纪下半叶开始发展的，它们的核心思想是，所有的基本粒子，包括引力粒子，都不是没有内部结构的点状物，而是由一维的弦构成的。这些弦可以是开的，也可以是闭的，它们可以在不同的维度上振动，就像吉他弦一样。不同的振动模式对应着不同的粒子，就像不同的音符对应着不同的声音。弦理论和超弦理论的优点是，它们可以用同一套数学框架来描述所有的基本粒子和相互作用力，包括引力，从而实现了广义相对论和量子力学的统一。弦理论和超弦理论的缺点是，它们需要引入很多额外的假设和实体，比如多余的维度，超对称性，膜理论等，这些假设和实体都很难被实验验证，也很难被直观理解。因此，弦理论和超弦理论也受到了很多人的质疑和批评，有些人甚至认为它们不是真正的科学，而是数学上的玩具。

　　为了更好地理解弦理论和超弦理论的发展历史和目前的困境，我们需要从它们的起源说起，也就是标准模型和四种基本相互作用力的概念。标准模型是20世纪中期建立的，它是一种描述微观粒子和三种基本相互作用力（强力，弱力和电磁力）的理论。标准模型中的粒子可以分为两类，一类是自旋为整数的玻色子，它们是力的传播子，比如光子是电磁力的传播子，胶子是强力的传播子，W和Z玻色子是弱力的传播子；另一类是自旋为半整数的费米子，它们是物质的组成部分，比如电子，夸克，中微子等。

　　标准模型是一种非常成功的理论，它可以很精确地预测和解释很多微观现象，比如粒子的衰变，碰撞，散射等。标准模型也是一种非常完备的理论，它可以用很少的参数和方程来描述很多的粒子和相互作用力。标准模型的一个重大成就是，它实现了弱力和电磁力的统一，也就是电弱相互作用。这是在20世纪60年代由杨振宁，沙朗，格拉肖等人提出的，他们因此获得了诺贝尔物理学奖。电弱相互作用的核心思想是，弱力和电磁力在高能量的情况下，是同一种力，它们的传播子都是无质量的。但是在低能量的情况下，由于对称性的自发破坏，弱力和电磁力分离开来，弱力的传播子变得有质量，而电磁力的传播子保持无质量。这就解释了为什么弱力的作用范围比电磁力要小得多。

　　不可否认标准动力学模型虽然表现得很优秀，但是它并不是所有人眼中万能的，它也有自己的局限性和亟需解决的问题。标准模型的一个显著的缺陷是，它无法包含第四种基本相互作用力，也就是引力。引力是我们最熟悉的一种力，它是由广义相对论描述的。广义相对论的核心思想是，引力不是一种传统意义上的力，而是一种时空的几何属性，物体的质量和能量会使时空发生弯曲，而时空的弯曲又会影响物体的运动轨迹。广义相对论可以很好地解释引力的现象，比如引力的弯光，引力的红移，引力波等。广义相对论的一个重大成就是，它预测了宇宙的膨胀，也就是宇宙大爆炸理论。这是在20世纪20年代由弗里德曼，勒梅特尔，罗伯逊和沃克等人提出的，他们根据广义相对论的方程，发现了宇宙是一个动态的，不断变化的系统，它可以从一个极小的，极热的，极密的状态开始，然后不断地膨胀和冷却，形成了我们今天看到的各种星系，星云，行星等。这个理论得到了宇宙微波背景辐射和宇宙元素丰度等实验的支持，它被认为是最合理的宇宙起源的解释。

　　为了解决引力的量子化问题，物理学家们提出了很多的理论和假设，比如量子引力理论，环面量子引力理论，非交换几何理论，引力的自洽性理论等。但是，这些理论都没有得到很好的发展和验证，它们都存在着很多的困难和问题，比如数学上的复杂性，实验上的不可检验性，物理上的不可解释性等。在这些理论中，最有前途的，也最有争议的，就是弦理论和超弦理论。

　　弦理论和超弦理论的起源可以追溯到20世纪60年代，当时物理学家们在研究强相互作用的时候，发现了一种叫做共振的现象，就是当两个粒子碰撞的时候，会产生一种新的粒子，这种粒子的寿命很短，很快就会衰变成其他的粒子。物理学家们发现，这种共振的粒子的质量和自旋之间有一种很简单的关系，就是质量的平方和自旋成正比。这种关系被称为Regge轨迹，它可以用一个直线来表示。物理学家们试图用一个数学模型来解释这种现象，他们发现，如果假设这些粒子不是点状的，而是由一维的弦构成的，那么就可以很自然地得到Regge轨迹的结果。这就是弦理论的雏形，它被称为玻色弦理论，因为它只能描述自旋为整数的玻色子。

　　玻色弦理论虽然可以解释强相互作用的一些现象，但是它也有很多的问题。第一个问题是，玻色弦理论无法描述自旋为半整数的费米子，而费米子是构成物质的基本组成部分，它们是不可缺少的。第二个问题是，玻色弦理论会预测出一种不存在的粒子，就是快子，它是一种超光速的粒子，它的质量是一个负数的平方根。这种粒子是违反狭义相对论的，也是违反因果律的，它是不可能存在的。第三个问题是，玻色弦理论只能在26维的时空中成立，而我们感知到的时空只有四维，三维的空间和一维的时间。这多出来的22个维度是从哪里来的，又去了哪里呢？这些问题使得玻色弦理论无法成为一个完整的物理理论，它只能被看作是一种数学上的模型。

　　为了解决玻色弦理论的问题，物理学家们又提出了一种新的理论，就是超弦理论。超弦理论是在20世纪70年代开始发展的，它是在玻色弦理论的基础上，增加了一种新的机制，就是超对称性。超对称性是一种对称性，它认为，每一种费米子都有一个对应的玻色子，反之亦然，这样就可以将费米子和玻色子之间对称起来，也就可以用弦理论来描述费米子了。超对称性的一个好处是，它可以消除快子的存在，因为快子的对应粒子是引力子，而引力子的质量是零，所以快子的质量也是零，就不会出现超光速的情况了。这样一来，我们就可以利用引力子的作用，达到穿越时空的效果。不过，这个方法目前还没有实现，只是一个理论上的猜想而已。

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