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什么是弦理论?优雅的数学描述强相互作用力

导语:据外媒报道,弦理论是一套人们为统一20世纪的两大支柱理论——量子力学与相对论——而提出的理论,试图用一套大一统框架来解释所有的物理现象。弦理论假定,粒子 ...
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[网络] 什么是弦理论?优雅的数学描述强相互作用力

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据外媒报道,弦理论是一套人们为统一20世纪的两大支柱理论——量子力学与相对论——而提出的理论,试图用一套大一统框架来解释所有的物理现象。弦理论假定,粒子其实是一种类似琴弦的一维实体,其振动规律决定了该粒子的质量和电荷等性质。

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据牛津大学和英国皇家科学院建立的一个有关弦理论的网站介绍,这套反直觉的理论最早提出于上世纪60至70年代,当时的科学家们曾用“弦”的概念为欧洲亚原子对撞机产生的数据建模。弦为强相互作用力提供了一种优雅的数学描述(强相互作用力是宇宙中的四种基本力之一,原子核正是依靠这种力结合在一起的。)

在很长一段时间里,这个话题都处于学界边缘位置,一直到1984年的“弦理论革命”为止。就在那一年,理论学家迈克尔•格林(Michael Green)和约翰•施瓦茨(John Schwarz)提出的等式显示,如将粒子描述为“弦”,便可避免将粒子描述为点状物质的各类模型存在的特定矛盾。

但在该理论萌芽之后,研究人员相继提出了五种不同的、解释一维的弦如何在10维宇宙中振动的模型。1995年,科学界迎来了第二次弦理论革命。物理学家发现,这些各自迥异的理论实则互相关联,并且可以与另一套名为“超引力”的、运用于11维空间的理论相结合。弦理论就此演变成了我们如今所知的形式。

解谜   

弦理论是人们为创造“万物理论”所做的众多尝试之一。所谓的“万物理论”能够取代物理学标准模型,对所有已知粒子和作用力进行描述。许多科学家都是弦理论的拥趸,因为它极具数学美感。弦理论的等式十分“优雅”,对物理世界的描述也令许多人感到极为满意。

该理论利用一种特殊的、正在振动的弦来解释引力,其性质与引力子性质相对应。引力子是一种假想中的、带有引力的量子力学粒子。与我们熟悉的三个空间维度和一个时间维度不同,该理论涉及11个维度,但支持者们并未因此被“劝退”。支持该理论的物理学家们认为,这些多余的维度可以蜷曲在一个极小的空间中,尺度达10-33厘米,因此一般无法被我们探测到。

研究人员试图用弦理论解答一些宇宙基本问题,如黑洞内部是什么情况等等,或者模拟宇宙大爆炸等宇宙事件。有些科学家甚至尝试过用弦理论解决暗能量问题,即加速时空扩张的神秘作用力。

永不停步的探求   

但弦理论近来遭到了不少质疑。弦理论的大多数预测都无法用现有技术检验真伪,许多研究人员不禁怀疑,这条探索之路究竟有没有尽头。2011年,物理学家们聚集在美国自然历史博物馆,参加第11次艾萨克•阿西莫夫纪念辩论大会,讨论利用弦理论描述物理现实的做法是否合理可行。

自然历史博物馆海顿天文台主任尼尔•德格拉斯•泰森(Neil deGrasse Tyson)指出,弦理论近年来的进展时好时坏。

弦理论遭遇的最新挑战来自该理论框架本身。据该框架预测,除了我们自己的宇宙之外,可能还存在多达10500个独一无二的宇宙。既然存在这么多的多重宇宙,只要研究人员展开探索,总会遇到一个与我们所在宇宙相对应的宇宙。但2018年,一篇颇具影响力的论文指出,这些假想宇宙中没有一个看上去与我们自己的宇宙相似。说得更具体些,没有一个多重宇宙能按照我们目前的理解描述暗能量。

“弦理论学家们提出了无数种数学解释,但均不与我们的观测结果存在任何已知关联。”德国法兰克福高等研究院物理学家萨比娜•霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)指出。

其他研究人员则坚信,弦理论总有一天会证明自己。密歇根大学物理学家戈登•凯恩(Gordon Kane)表示,大型强子对撞机升级完成后,不久便可提供佐证弦理论的证据。不过就目前而言,该理论的最终命运仍是个未知数。

来源:新浪科技  作者:叶子

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