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弦理論:宇宙只能是26維度,這樣才能兼容廣義相對論和量子力學
2023/04/10

有物理學家認為超弦理論目前的窘境正是奧卡姆剃刀 「如無必要,勿增實體」的最好詮釋也有物理學家認為,超弦理論是未來最有可能成為萬有理論的候選者。超弦理論的前身是弦理論,而弦理論就是為了解決廣義相對論和量子力學不兼容的問題而生的。

宇宙是由物質構成的,當我們將物質放大,會發現它們又由各種粒子構成的,這些粒子有電子,夸克和中微子等等粒子一直在宇宙中運動并且相互作用,比如夸克靠膠子進行強相互作用,電子靠光子進行電磁相互作用這些粒子組成了標準模型,標準模型也是人類對微觀粒子最精確的數學解釋。

按照粒子的自旋類型劃分,標準模型中粒子可以劃分為兩大類,自旋為整數的是玻色子,比如光子 。自旋為半整數的是費米子,比如電子。但是標準模型并不是解釋所有微觀粒子的終極理論。到目前為止,人類發現大自然只有四種基本相互作用力,按照強度劃分,依次是強力,電磁力,弱力和萬有引力。

力的傳播需要介質。比如強力,電磁力和弱力都有傳播介質。

所以我們也不得不相信引力也有自己特有的傳播介質。雖然我們暫時沒有找到這種傳播介質,但我們仍然相信引力的「傳播子」是存在的。按照正常的物理思維,如果引力的傳播子存在,那麼它一定也是一種客觀粒子,也是可以被納入到標準模型中的。但事與愿違,愛因斯坦活著的時候就致力于統一電磁力和引力,但終其一生也未能如愿。

在20世紀上半葉,科學家還發現弱力和強力,在楊振寧等物理學家的努力下,弱力和電磁力率先統一起來了。到了20世紀80年代,強力,弱力和電磁力都可以用標準模型來解釋,唯獨引力與標準模型格格不入。在信仰的加持下,物理學家相信,既然引力也是力,那麼就一定會和其他三種力一樣,是可以被一個更大的統一理論來解釋的。按照量子力學的預想,想要把引力納入到標準模型的關鍵點 就是要找到引力的傳播子,也就是引力子。

廣義相對論認為物體之間的引力是通過時空彎曲來實現的。引力好像沒有通過任何介質就可以超距作用來傳遞力。而量子力學認為,時空曲率之所以可以傳遞引力必然是依靠一個最基本的粒子來完成的,這就是曲率量子,也就是我們熟知的引力子。令人絕望的事情發生了,當物理學家嘗試將引力子納入到標準模型中時,計算就會得到一個無限大的結果。這就意味著,我們暫時無法用量子力學描述引力,即便科學家經過了半個世紀的嘗試,廣義相對論的引力理論和量子力學依舊是不兼容的。每一個物理學家都堅信,宇宙規律不可能是局域的,四個基本作用力必然是可以被統一起來的。

為了信仰,物理學家不得不尋求新的理論來統一萬有引力和其他三個基本作用力。

目前最有可能成功的理論就是弦理論。在量子力學中,標準模型中的粒子都被認為沒有內部結構的「量綱」粒子,通俗一點說,這些粒子已經是最小的了,不可以再分了,包括引力子,也是不可以再細分的粒子。而弦理論認為,既然引力子和標準模型中的其他粒子無法兼容在一起,那麼是不是意味著引力子和其他基本粒子是有內部構造的,它們是可以在更小的尺度上被統一起來的。

所以在弦理論中,基本粒子只是一個近似值,如果放大這些粒子,就會發現它們都是由一根小弦構成的,這些弦有時打開,有時閉合。這些弦就像皮筋一樣,也存在張力,也可以振動。就和吉他弦一樣,不同的振動方式可以產生不同的波。如果振動方式不同,那麼就會產生第一種波,第二種波,第三種波依次類推,不同振動的波在量子尺度上就會表現成不同類型的粒子。

通過弦理論的計算,有些弦振動出的結果像光子,有些弦振動像引力子。如果我們相信,所有的基本粒子都是由更小尺度的弦構成,我們自然可以相信引力子也是由弦構成的。但是弦理論是一種飽受詬病,因為它不符合了「如無必要,勿增實體」的觀念。有了弦理論,引力子是可以和標準模型融洽了,但是又產生了更多的問題暫時無法解決。 第一個問題,所有弦的振動都表現得像是玻色子,比如光子和引力子!但是我們的世界卻真實存在著像電子這樣的費米子,按照弦理論,所有振動模式的弦都無法生成費米子,這與客觀事實違背! 第二個問題,在弦理論的預測中,會產生品質會虛的超光速粒子-快子。「快子」的品質是一個負數的平方根。 第三個問題,我們感知到的宇宙是四維時空,是三個維度的空間加上第四維度的時間。但是弦理論卻只能適用于26維度的宇宙。弦理論適用的宇宙和我們真實的宇宙相差甚遠。

這種離譜程度甚至已經讓很多物理學家對弦理論望而卻步。為了解決第一個和第二個問題,也就是費米子不存在和虛品質快子的問題,弦理論又額外引入新的理論。比如向閉弦上增加一個微調機制。這樣不僅可以解決費米子不存在的問題,也可以將費米子和玻色子之間對稱起來。并且預測費米子和玻色子的數量一樣多,這就是超對稱性。這樣一來,弦理論又進化成了超弦理論。在超弦理論中,不再需要26維度的宇宙了,而是降成了10個維度,但額外多出的六個維度依舊是無法解決的問題。現在回頭來看,弦理論本來就是為了解決引力和量子力學不兼容的問題而額外引入的理論。弦理論目前沒有任何強有力的實驗基礎,基本上都是猜想。但是把弦理論引入后,又出現了新的問題,為了解決這些問題,又引入超弦理論。但是超弦理論也面臨難以解決的多維度問題。

所以為了解決10維度的問題,又得引入新的理論。如果宇宙真是超弦理論預測的10維度(9維空間和時間),于是令人震撼的事情就發生了我們的三維空間就是9維空間的一個切片。宇宙空間是9+1維時空中的D3膜,我們還無法感知到四維時空以外的其余六個維度。超弦理論發展到這一步,甚至很多物理學家都不忍直視了,于是出現了十分牽強附會的解釋,有物理學家認為,雖然宇宙有10個維度,但是其他六個維度都特別小,所以我們不能感知到這六個維度。這樣回頭看一下,超弦理論或許正是「如無必要,勿增實體」的體現!

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