用最简单的语言告诉你弦论到底是个什么东西?

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-09

然而一般人还是看不懂......

  前两天蝌蚪君发了个报道介绍科学突破奖。荣获2017年基础物理学科学突破奖的是三位超弦理论专家。当时,蝌蚪君只是说,弦论是把本世纪初发现的量子力学与广义相对论结合起来的理论,并没有具体解释是什么意思。

  即使远隔千山万水,我也能感受到你们的亿脸懵逼。

用最简单的语言告诉你弦论到底是个什么东西?

  所以今天蝌蚪君就啃一啃硬骨头,跟各位聊聊为什么要有弦论,以及弦论主要说的是什么

  “把量子力学与广义相对论结合起来

  人类(或者说物理学家)有一种执念:宇宙的本质是简洁的(记住这句话)。一定有一个最简洁的理论,能表达世界。宇宙万象,不过都是它的演化而已。

  目前,在宏观大尺度上,广义相对论非常好用,而在微观世界,量子力学非常好用。但世界不可能是割裂的,这两个乍看之下截然不同的理论,一定是“一个问题的两面”。为了把他们二者结合,才有了弦论。

  不过,在介绍弦论之前,我们先要明白,量子力学与广义相对论的矛盾究竟在哪里,为什么必须开发出一套复杂的弦论才能将其结合。

  先来说说引力。众所周知,根据广义相对论,引力的本质是时空的弯曲。为了解释清楚,我们需要引入一个非常经典的例子↓↓

  把时空比作床单,星球(例如图中的地球)就像是床单上的玻璃球——它的质量会让时空产生形变(即时空的扭曲),因此,旁边质量更小的物体(例如图中的月球),就会掉落坑中(进入地球的引力范围,围着地球转)。

  这个理论很好理解,但它有一个隐含的条件:没有物质的时空本身是平坦的。也就是说,没有玻璃球压着,床单就不能出坑,而应该是平平整整的。

  但量子力学得到的结论刚好相反——在微观尺度,空间并不是平坦的,而是凹凸不平,有涨落的↓↓

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量子涨落

  打个比方,宇宙就像一幅油画,虽然远远看去图像十分平滑圆润,但如果你凑到屏幕跟前仔细看,就能发现颜料堆积的高低起伏。

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油画局部放大

  不过,这个微观是多微观呢?答案是“普朗克尺度”。

  普朗克尺度是指约 1 × 10^19GeV 量级的能量尺度。在普朗克尺度,引力的强度变得与其他基本作用力相当,理论物理学家也认为所有的基本作用力在此统合,虽然详细的机制仍不清楚。

  宇宙有四大基本作用力,除了引力之外,还有强核力、弱核力和电磁力。但这四个力在宏观尺度下的强度是不同的。

  举个例子,两块磁铁近到一定距离,会因为电磁力互相吸引贴到一起。但如果把两块磁铁换成质量相等的两块石头,彼此间隔相同的距离,却不会因为引力而吸到一起——这就是因为引力的强度太低了。如果万有引力的强度为 1 ,那么弱力为 10^25 、电磁力为 10^36 、强力为 10^38 。

  只有当小到普朗克尺度时,引力的强度才变得与其他三个力相当,实现四个力统合。

  现在我们总结一下情况:普朗克尺度下,四个基本力统合,但由于时空不平滑,广义相对论不可用。宏观尺度下,广义相对论可用,但量子力学与其是割裂的,无法实现统合。

  这就是矛盾所在。

  “弦论登场

  在正式介绍弦论之前,我们先要澄清一点:就像欧式几何一样,弦论是一套能够自圆其说的理论,就像世界上没有几何中完美的圆一样,弦论现在也无法被实验验证。

  欧式几何有5个公理,例如两条平行线不可能相交,其他一起都是由这5个公理推导出来的。类似的,弦论也有3个“公理”:

  1: 基本粒子的本质是一根弦,弦的不同震动产生了不同粒子。

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有开弦和闭弦两种

  2:存在比我们目前发现的四维时空更多的时空维数。弦论本来要求时空是26维的,后来发现加上下面提到的“超对称”的话,时空是10维的。

  3:宇宙中的基本粒子之间存在超对称。所谓超对称的意思就是,所有基本粒子都有超对称伴侣,没有一个是单身的!

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没想到,连高深的理论物理都开始虐狗了

  正因为有了超对称,假设2里面提到的10维时空就可以写成10=4+6。其中4是我们熟知的三维空间+时间,而6则缩小为一个小宇宙,这小宇宙的名字叫做卡丘空间(不是神奇宝贝里的皮卡丘……)

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除了我们熟知的四维,剩下的6维卷曲在一起,称作卡丘空间

  既然弦论使用了那么多假设,那么我们为什么还需要它呢?

  从理论上讲,闭弦震动产生引力,开弦震动产生各种粒子。这样,弦论就统一了量子力学和广义相对论。

  从实用性讲,弦论解决了一个很大的计算问题。

  本来像电子这样的基本粒子被认为是1个点,没有大小。 但是电子是有电场的,电场是有能量的(手机无线充电的电能就来自于电场)。

  于是,电子所在的那个点的电场强度是无穷大,也就是说,在那里,能量无穷大。根据质能方程E=mc^2,电子的质量也变成了无穷大。

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万恶的无穷大

  为了解决这个问题,物理学家发明了一套很“掩耳盗铃”的技术,这套技术假设电子本身具有负无穷大的质量。这样,一个负无穷大再加上一个正无穷大,就能得到一个有限的数。

  本来这套“掩耳盗铃”的技术勉强能使。可惜的是,到了引力子那里,这套方法就完全失效了。于是,不得不另辟蹊径——这就有了弦论。

  物理学家放弃了点粒子的看法,而假设基本粒子是一根弦。这样的话,就能避免所有的“无穷大问题”了。

  你可不要小看这个无穷大问题,对于不需要做实验的理论物理来说,能算出有意义的结果,就是最重要的事。

  也许你有的地方没看懂,没关系,这实在是太正常了。我们未来还会有后续讲解,敬请期待。

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