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弦理論為什么能一直存在?

2020-02-18 17:18:42  來源:新浪科技

北京時間2月18日消息,弦理論是一種聲稱有可能成為“萬有理論”的假說,能夠從最基本的微觀尺度來解釋所有現實,包括自然力和組成所有物質的基本粒子。這是一個強大的理論,但并不完整,也沒有經過檢驗,但至今已經存在了幾十年。

然而,這個理論本身的開端并不順利。研究者最初是用弦理論來解釋強核力,而這并不是該理論所擅長的。

從散射矩陣開始

直到20世紀60年代,物理學家還相當自信,他們覺得自己已經發現了所謂的物質基本成分,即質子、中子和電子。他們還完成了將量子力學和狹義相對論與量子電動力學(QED)統一起來的壯舉,后者是對電磁力的完全量子描述。

但是后來,在研發出了超級強大的粒子對撞機之后,突然間,物理學家開始不喜歡他們已有的發現。通過這些儀器,物理學家對一大堆質子和中子進行了撞擊,使其分裂,表明這些粒子根本不是基本粒子。更糟的是,對撞機開始產生各種新的粒子,包括介子、π介子,k介子、Ξ粒子,等等。

控制它們的是一種新的自然力:強相互作用,又稱強核力。隨著不同的粒子從對撞機中出現,發展出量子電動力學的工具迅速分崩離析。物理學家們不知所措,他們愿意嘗試新的想法。于是,一些理論物理學家開始絞盡腦汁,在前人的研究中尋找可能有用的數學工具。他們發現了量子力學創始人之一維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)提出的一系列有趣的想法。

于是,弦理論誕生了!

在量子力學的早期(20世紀上半葉),研究者還不清楚該用什么數學方法才能最好地解釋這門新學科中所有奇怪的現象。20世紀30年代,海森堡提出一個相當極端的想法。當時流行的經典物理學方法是:1)寫下相互作用中涉及的所有粒子的起始位置;2)建立關于這一相互作用的模型;3)按照這些粒子隨時間的進化,用模型來預測結果。

海森堡的想法正好相反,他認為,為什么我們不直接跳過所有這些步驟,而是開發一個機器,叫做散射矩陣(scattering matrix,又稱S矩陣),它可以從初始狀態直接跳到最終狀態。我們真正想要測量的就是這一最終狀態。這臺機器將所有相互作用都編碼在一個巨大的盒子里,而不用擔心系統的進化。

這是一個很酷的想法,但現實證明,它很難讓任何人興奮起來,最終只能不了了之——直到物理學家在60年代陷入絕望。

通過重新使用散射矩陣方法來研究新發現的強核力,理論物理學家們擴展并發展了這一思想,并發現某些重復的數學函數特別強大。

其他理論物理學家也加入進來,給這個框架加上了時間和空間的傳統解釋,并遵循了粒子的演化。他們由此取得了一些令人驚訝的發現:為了描述這種強相互作用,必須引入微小的、不斷振動的弦。

比光子還快

這些弦似乎是強核力的基本組成部分,其量子力學振動決定了它們在微觀世界中的屬性。換句話說,弦的振動使其自身的外在特征和行為都像是微小的粒子。

最終,這個弦理論的早期版本被稱為重子弦理論,對于它試圖解釋的粒子種類,并沒有達到預期的效果。這個理論極其難以發揮作用,想以此做出預測幾乎不可能。它還要求存在速度超過光速的粒子,稱為速子(tachyon)。這是早期弦理論的主要問題之一,因為速子并不存在;如果速子存在,就會公然違反非常成功的狹義相對論。

另外,重子弦理論需要26個維度才能在數學上講得通??紤]到宇宙只有四維,這個理論真的是讓物理學家難以消受。

重子弦理論的最終消亡有兩個原因。首先,它做出了與實驗不符的預測,而這是一個非常大的缺陷。其次,強核力的另一種理論(包括一種稱為夸克的新假想粒子,以及一種能在兩個夸克之間傳遞強作用力、被稱為膠子的基本粒子),能夠被折疊到量子框架中,并成功地做出預測。這個新的理論就是量子色動力學,直到今天仍然是關于強核力的主流理論。

至于弦理論,幾乎已經消失在背景中。在20世紀70年代,一旦理論物理學家意識到弦理論可以描述的范疇似乎超越了強核力,而且在找到方法擺脫理論所預測的速子之后,弦理論又會復活。盡管這個理論仍然需要額外的維度,但是物理學家已經可以將維度數量從26降低到10,聽起來似乎更合理了??紤]到這些維度可能很小,并且蜷縮在我們可以直接觀察到的尺度之下,弦理論似乎一點也不古怪。

今天,依然有人在研究弦理論,并且仍然在試圖用它來解釋強核力。甚至有觀點認為,弦理論有可能是量子引力的解決方案之一,并可能成為大統一理論。未來會如何呢?讓我們拭目以待。

什么是弦理論?

弦理論又稱弦論,其主要思想是用一段段“能量弦”作為最基本單位,說明宇宙中所有的微觀粒子(如電子、夸克、中微子等)都是由一維的能量弦組成;換句話說,弦理論主張“弦”以不同的振動模式對應了自然界的各種基本粒子。目前廣為接受的物理模型認為,所有物質是由零維的點粒子組成的,能夠成功解釋和預測許多物理現象和問題,但這一粒子模型也遇到了一些難以解釋的問題。相比之下,弦理論的基礎是波動模型,能夠避開粒子模型所遇到的問題。更深入的弦理論不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,以及更高維度的空間,甚至平行宇宙。不過,弦理論目前還未能做出可以實驗驗證的準確預測。(任天)

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