怎麼用很簡單的語言解釋弦理論?


1. 一開始,牛頓研究小球的運動,關心的是小球三個空間坐標 x, y, z 隨時間 t 的「演化」:{x(t),, y(t),, z(t)}

於是有了牛頓力學。

2. 後來,海森堡說空間坐標要「量子化」,給空間戴了個帽子:

{hat{x}(t),, hat{y}(t),, hat{z}(t)}

於是有了量子力學。

3. 然後愛因斯坦說,時空要平等!時間沒戴帽子,空間憑啥要戴帽子。於是空間跟時間一樣成了普通坐標,大家都把帽子扣在了「場」Phi的頭上:

hat{Phi}(x,y,z,t)

於是有了量子場論。

4. 不過,有人說,愛平等更愛帽子,不如大家都戴帽。空間戴了帽子,時間也該戴個帽子。戴了帽子的時間 hat{t} 沒法再當坐標,於是引入一個新參數	au充當「演化」坐標:

{hat{x}(	au),,hat{y}(	au),, hat{z}(	au),, hat{t}(	au)}

於是有了「馬甲」版相對論量子力學。

5. 再後來,又有人說,要搞就搞大的。再多引入個參數sigma,玩倆參數的:{hat{x}(	au, sigma),, hat{y}(	au, sigma),, hat{z}(	au, sigma),, hat{t}(	au, sigma)}

於是就有了弦論。

歸納一下:

牛頓力學 = 經典 + 點粒子

量子力學 = 量子 + 點粒子

量子場論 = 相對論 + 量子 + 時空場

「馬甲」版相對論量子力學 = 相對論 + 量子 + 點粒子

弦論 = 相對論 + 量子 + 一條弦


二維的量子場論。


超弦生萬象超弦理論認為,不存在粒子,只有弦在空間運動,各種不同的粒子只不過是弦的不同振動模式而已。自然界中所發生的一切相互作用,所有的物質和能 量,都可以用弦的分裂和結合來解釋。在每一個基本粒子內部,都有一根細細的線在振動,就像小提琴琴弦的振動一樣,因此這根細細的線就被科學家形象地稱為 「弦」。撥動吉他一根弦,你會聽到一個音。撥動另一根弦,你會聽到另一個不同的音調,因為不同的弦振動的模式不同。一個音樂家通過一個吉他的六弦合奏,使 這些弦在不同頻率振動,便可創造出無數美妙的音樂。像琴弦的不同振動模式彈出不同的樂音那樣,粒子內部的弦也有不同的振動模式,只不過這種弦的振動不是產 生什麼音樂,而是產生一個個粒子。不同粒子的性質由弦的不同振動行為來決定,電子是以某種方式振動的弦,上夸克又是以另一種方式振動的弦,如此等等。

弦與粒子質量的關聯是很容易理解的。弦的振動越劇烈,粒子的能量就越大;振動越輕柔,粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現象:當我們用力撥動琴弦時,振 動會很劇烈;輕輕撥動它時,振動會很輕柔。而依據愛因斯坦的質能原理,能量和質量像一枚硬幣的兩面,是同一事物的不同表現:大能量意味著大質量,小能量意 味著小質量。因此,振動較劇烈的粒子質量較大,反之,振動較輕柔的粒子則質量較小。

依照弦理論,每種基本粒子所表現的性質都源自它內部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成,而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏著不同的「音調」。由無數這樣振動著的弦組成的宇宙,就像一支偉大的交響曲。

在量子理論中,每一個粒子還具有波的特性,這就是波粒二象性。現在我們明白了,粒子的波動性就是由弦的振動產生的。

物理學家還發現,弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯繫。同樣的關聯也存於弦振動模式與其它力的性質之間,一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強力也完全由它的振動模式決定。

這裡又涉及到了四種基本力。

宇宙中存在著各種類型的力,是它們把散沙般的基本粒子結合在一起,組成了各種各樣的物質,並安排了宇宙間的秩序。這些力從本質上都可歸結為四種基本力:引力、電磁力、強力和弱力。

這四種力的來源是不一樣的。引力源於物體質量的相互吸引,兩個有質量的物體間就存在引力,物體的質量越大,引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產生的,一個 粒子可以帶正電荷,或者帶負電荷,同性電荷相斥,異性電荷相吸。如果一個粒子不帶電荷,則不受電磁力的影響,不會感受到排斥力和吸引力。強力主要是把夸克 結合在一起的力,所以也叫核力。像電磁力一樣,也起源於電荷,不過只是夸克間的電荷,物理學家稱之為「顏色電荷」。弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推 和拉的效應,像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。

四種力的相對強度以及作用範圍都有著巨大的區別。從相對強度上來說,假定以電磁力的強度為一個單位強度,則強力要比這個單位大出100倍,弱力只有 1/1000,引力小到幾乎是可以忽略不計的:在微觀世界中,它只有電磁力的1040分之一!從作用範圍上來說,引力的作用範圍是宇宙範圍的;電磁力的作 用範圍在理論上可以達到無限遠,但實際上,大多數物體正負電荷相互抵消,其外部都呈電中性;而強力和弱力的作用範圍則極小,只能在粒子範圍內發生作用。

這四種強弱懸殊、性質各異的基本力,完全控制了我們的宇宙。

弦本身很簡單,只是一根極微小的線,弦可以閉合成圈(閉弦),也可以打開像頭髮(開弦)。一根弦還能分解成更細小的弦,也能與別的弦碰撞構成更長的弦。例 如,一根開弦可以分裂成兩根小的開弦;也可以形成一根開弦和一根閉弦;一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦;兩根弦碰撞可以產生兩個新的弦。


What every physicist should know about string theory

Witten的文章。


弦是物質存在的一種形式還是空間的裂縫?


能量絲,不同振動模式代表一種粒子。


弦,即是線,一維的能量線。

弦是構成原子的粒子的超微觀組成元。弦存在於普朗克長度上,大約是1.616	imes 10^{-35} 米,比較一下,電子的半徑是2.818	imes 10^{-15} 米,差了20個數量級,什麼概念?若電子是太陽那麼大,弦只有氫原子的大小。

①宏觀物體②分子③原子④電子⑤夸克⑥弦

在弦的尺度上,也就是普朗克長度上,空間不再平坦,空間可能是這個樣子的。

弦理論認為,空間有三個展開維,即長、寬、高,以及六個捲縮維,蜷縮在普朗克長度的空間上。弦則纏繞或依附在這樣的空間維度上,在各個方向上振動,根據捲縮維的維度不同,弦的長度不同,形狀不同,產生各種各樣的纏繞能和振動能,從而形成各種性質的點狀粒子與力,粒子拼合成不同的物質,在力的作用下,最後構成恢弘的宇宙。

六個捲縮維的空間結構是什麼樣子的?

先想像一下,遠距離觀察一根細長的水管,你會覺得它只是一條一維的線,離近一點,你發現它是二維的,有寬度,再離近一點,喲,是三維的,中空的管。同理,六個捲縮維糾纏在一起,離遠了看,就像是一維的點,若放大了看,可能是這個樣子的。

弦在這上面振動,再放大了看,可能是這個樣子的。

弦有兩種運動方式,非纏繞式的(a)以及纏繞式的(b)。

弦的能量有兩個來源,振動和纏繞。

弦運動產生粒子與力,而各種粒子與力彼此之間的差異只是這弦線的長度、振動參數和形狀的不同而已。

至於為什麼是六個捲縮維,是因為六個剛剛好與目前人類實驗觀察到量子上的各種參數相符。另在超弦理論中,捲縮維補充到七維。這意味著我們有十維空間,十一維時空。在宇宙從奇點大爆炸開始的那一刻,三個空間維展開,其餘的很不幸,被窩在普朗克長度的空間里,展開不了。至於為什麼,解釋不了。

我們用肉眼觀察物體,取決於光的反射,借用先進的設備,如電子顯微鏡,我們可以觀察到更小的物體,但當物體小到可見光的波長以下時,我們就無法直接觀察到了。此時我們觀察物體,取決於「探針」,如光子、電子,用探針去撞擊觀測物體,得到相應的實驗數據。但若物體小到普朗克長度上,我們已知的探針相對於這樣的尺度來說也是太大了,所以以目前人類的科技,「弦」是無法直接從實驗中觀測出來的。所以弦理論到目前為止還只是理論,還只是推測。 弦理論仍屬於哲學的範疇,不能完全算是物理學。

既然無法證實,弦理論為何還如此備受推崇?

那是因為弦理論提供了一個真正的統一理論,完美地融合了量子力學與廣義相對論,簡單來說,是因為所有物質和力都來自同一個基元:振動的弦。

以上。

參考資料:

  • 《維基百科:弦論》
  • 《豆瓣讀書:宇宙的琴弦》


如果你看到過費因曼圖(Feynman Diagram)就會發現粒子之間的作用是用一維的線條來代替的。其結果就是粒子的零距離作用。這對四種基本力(電磁作用力,若作用力,強作用力,引力)中的前三種都不是問題。因為在積分求物理量的時候,無限的問題可以通過重整化(renormalization)解決。但引力不行。怎麼解決呢?回到費因曼圖。弦理論的費因曼圖是原始費因曼圖的進化版。(費因曼圖與對應的弦理論費因曼圖:https://universe-review.ca/I15-15-topology3.jpg。途中橫坐標是時間)如果你想像一維線的切面(每一個時間點)是一個時空點,弦理論版本的話就是一個環(封閉弦,為了簡化所以就不用這個例子討論開弦了)。環就是弦。平常世界裡的橡皮筋繃緊的話,它的長度就決定自然頻率(你撥動它聽到的聲音),而弦理論里的弦也是如此(自然頻率也就決定它是什麼基本粒子)。從點到弦,力的零距離作用導致的無限問題就解決了。這樣,引力也能像其他三種基本力一樣被正確表達為一種量子場。這為統一四種基本力做了重要鋪墊。


弦論試圖解決廣義相對論與量子力學的矛盾,成為包羅萬象的理論,大統一理論。


無法用很簡單的語言解釋弦論


假設光速普朗克常數和萬有引力常數為1。從真空中沿著z軸施加一個巨大的能量能激發出一個無質量的光子。所以基態的質量應當為-1。

一條開弦上的一個點的基態能量為1/2 omega ,其中第n個位置的頻率為n。從而這條開弦的能量為1/2(1+2+...+n),注意到開弦上任一點的選取是無差異的,從而無窮大+1要能等於1,也就是說所有自然數之和在這種規律下是收斂的。也就是說所有自然數之和為-1/12。可以求得整個系統的能量為-d/24+一個可忽略的常數無窮大量,這個常數無窮大其實就是z軸的巨大能量,從而抵掉,由於基態的質量為-1,所以d=24,加上加速方向和時間,空間是26維的。

閉弦複雜一點,閉弦上任一點的選取無差異,要滿足諾特定理從而閉弦的振動,使得順時針方向的波能量要等於逆時針的,也就是說從真空中激發一個無質量的光子,如果是閉弦的話,基態質量為-2,這樣的話d=8,空間是十維的。

其實我很期待弦理論被證實,把高能炮架起來,很期待未來的粒子加速器是跨星球的。

他是完全可以由宏觀物理的角度推導微觀量子力學的,就不存在說什麼波粒二象性這樣奇談怪論了。世界本身就是弦。從弦理論解釋世界非常簡單。


我是來否定以上所有答案的。

再怎麼用語言解釋弦理論都白搭,因為他們都不清楚是什麼原理。至今為止,弦理論只是理論,還沒有被證實。

上百度搜索PBS出的「優雅的宇宙」共三集科普劇,花上兩個小時看完它,比以前任何答案都要清楚透徹。

註:PBS是美國大型電視機構,「優雅的宇宙」這個紀錄片講述了自然界四種力量與愛因斯坦的大統一理論以及大統一理論的難點。還介紹了經典力學與量子力學在解析這四種力的優缺點。另外還採訪了弦理論的原創者描述弦理論的概念等。

看完這三集,豁然開朗,醍醐灌頂。

——————————分割線————————

附上百度碗盤下載:

鏈接: 百度雲 請輸入提取密碼 密碼: q3ie


什麼破弦論,不就是統一4種力么,看我把它解出來!

引力是性差異的誘惑,電磁力是性格相性的篩選,弱核力是為對方改變的動力,強核力是兩人完全融合後的真愛。

一切力的作用與行為,統統來源於人類尋求配偶的本能。從醫學上來說,這4種力來源於下丘腦-垂體-性腺。所有的力都是由那些化學激素產生的。現代醫學已經有能力解讀並干涉人類內分泌系統,通過藥物或手術,想讓一個人變成渣男渣女或痴情種子簡直易如反掌。

結論:4種力絕對不是來源於一個單純的x物質。而是來源於一套驅動體系。通過改變這套x體系,人類可以任意調整4種力的大小和屬性,甚至刪除、增加新的力也不是不可能。屆時人類就具備了改變宇宙法則的能力,科研前景不可限量。


本人是文科生,對物理學不太了解。最近在看《宇宙的琴弦》,根據自己的理解來回答問題。我覺得自己寫的很直白了,應該能看懂。如果有錯誤的地方,請大神們指出|?ω?`)

--------------------------------------------(?? . ??)----------------------------------------------------------

如何解釋弦理論?首先要了解弦理論是如何產生的,還是先從三次衝突說起,如果沒有第一次衝突,就沒有弦理論的產生。 我想應該有很多人不明白相對論,看完保證會讓你重新認識這個世界|?ω?`) 當然你也可以直接跳到第三次衝突。

第一次衝突

矛盾:在19世紀末出現,與光運動的奇特性質有關。根據牛頓的運動定律,誰如果跑得足夠快,就能追上光。打個比方,一輛汽車在高速路上以60km/h行駛,超人的速度以60km/h追趕,在超人看來,汽車與他保持相對靜止狀態,即汽車「停了」。如果超人用光的速度追趕,那光應該也是停在那兒。但麥克斯韋的電磁學定律表明,根本沒有靜止的光,光總是以光速運動,無法抓在手上的。

解決:愛因斯坦的狹義相對論。首先光速是具有不變性的,光是以每小時10.8億千米的速度運動——無論以什麼標準為參考。注意後面這句話,舉個例子,你在山上忽然遭遇雪崩,首先想到的就是逃跑,因為能讓雪崩向你壓過來的速度減慢。現在假設雪崩的速度為光速,超人以每小時5億千米的速度逃跑,是不是能讓光速的雪崩慢些追上超人呢?答案是不能,無論超人火箭般的速度,還是老太婆慢吞吞的走路,光向你飛來的速度都是10.8億千米/小時。光速是一個常速。無論超人怎麼追趕,光總是以光速跑在超人的前面,而且不可能察覺光速有一丁點兒的差別,當然更不能讓光慢慢停下來。問題解決了(有些好奇的同學會問,為什麼光速是常速?為什麼超人就追不上?下面會講),但是不變的光速意味著牛頓物理學的奔潰,因為牛頓的定律並不適用光速運動的情況。這個時候,愛因斯坦的狹義相對論解決了此情況。

光速的不變性引出了新的空間和時間概念,取代了傳統的固定的剛性結構的空間和時間觀念。在新的概念里,空間和時間的結構密切依賴於觀察者和被觀察者之間的相對運動。運動物體的演化慢了,在運動方向上的長度也縮短了。簡單的說,在光速環境下,空間和時間將發生巨大的變化,所以牛頓的定律不適用於光速運動(在大多數運動情況下還是適用的)

在大多數情況下,物體運動的大部分都是在時間而不是空間度過。我們把時間看成宇宙的另一維,第四維,就像我們的三維空間一樣。那麼,我們是不是還能像講物體通過空間的速度那樣來講它通過時間的速度呢?當然可以。愛因斯坦告訴我們,宇宙間的一切事物總是以一個固定的速度——光速,在時空里運動。這裡的時空指的是四維里的速度,即三維空間和一維時間。

假如物體(相對於我們)靜止不動,就是說,它不在空間運動,所有的運動都發生在一個維度里,即時間維度。而且,相對於我們靜止以及相互相對靜止的所有物體,都在時間裡運動——以完全相同的速度或節律衰老(注意,只有相對靜止的物體,才會以相同的速度運動或衰老)。然而,假如物體在空間運動,那麼剛才講的在時間的運動一定會轉移一部分到空間來。跟汽車偏離路線一樣(假設空間為一維,是東西方向的,時間是另一維,南北方向的。原先汽車是在(時間裡)南北方向,一條直線行駛的。但是出現空間運動,即東西方向有運動。這個時候,汽車的行駛不是一條直線,而是一條斜線。原先一條直線的路程是5分鐘,現在走的是斜線路程,耗費的時間則為6分鐘。這時,時間變慢了),即物體運動的轉移意味著它在時間裡的運動比靜止時慢,因為有的運動現在轉移到空間里去。就是說,當物體在空間運動時,它的鐘會變慢。現在我們看到,相對我們運動的物體的時間變慢的原因,是它在時間裡的部分運動轉移為空間運動了。這樣,物體在空間的運動只不過反映了有多少時間裡的運動發生了轉移。

物體的空間速度有一定的極限。假如物體在時間裡的運動完全轉移到空間來了,物體在空間的運動就達到那個最大速度。也就是說,以光速在時間裡運動的物體,現在以光速在空間運動。因為所有在時間裡的運動都被佔有了,因此這是物體所有達到的最大速度。就像一輛汽車在南北方向直直行駛,沒有在東西方向上運動。而以光速在空間運動的物體,同樣沒有留一點兒在時間裡運動。時間裡沒有運動,即時間靜止了。這就很好解釋了為什麼光是常速?因為在光速「眼」里,所有東西在時間上都是靜止的,無論你是超人還是烏龜。

還有個問題,有沒有超過光速的速度?答案是沒有。根據愛因斯坦的公式E=mc2,E指物體的能量,m指物體的質量。c就是光的常速。物體運動的越快,它所需的能量就越大。而根據E=mc2,物體能量越大,質量也會越大。當物體質量越大,把它加速就越困難。就像從推自行車變成了推卡車。書上舉了一個例子,把μ子以99.9%的光速運動時,要比靜態粒子的質量重約22倍,加速到99.999%光速時,μ子的質量增加到它原來的224倍;在99.999999999%光速時,它的質量比原來大70000多倍。在速度逼近光速的過程中,質量的增加是沒有極限的,因此需要無限的能量才可能使它達到或超過光速壁壘。

第二次衝突

矛盾:狹義相對論解決了牛頓運動定律與麥克斯韋的電磁學定律(光速不變性)的矛盾,但又引出新的矛盾。就是牛頓的引力定律與狹義相對論的矛盾。牛頓的引力定律表明世間萬物都具有引力,地球圍繞著太陽轉是因為太陽的引力,就像有跟繩子,一端連著太陽,一端系著地球。那問題來了,假如太陽突然熄滅,繩斷了,地球應該會立刻脫離它原來的軌道。但是光從熄滅的太陽傳到地球需要8分鐘的時間,就是人們看到太陽熄滅是在8分鐘以後。而牛頓的理論表明太陽熄滅的消息會因為引力的突然改變而瞬間傳到地球。矛盾在於狹義相對論認為沒有什麼信息能比光的傳播速度更快。那究竟是哪裡出問題了?

解決:首先來說下牛頓的引力論,它能精確地預言物體如何在引力作用下運動,但是卻沒有說明引力是什麼?怎麼來的?

先假設有一張橡皮膜,上面放著一隻保齡球,如下圖

空間結構因為大質量物體的存在而發生扭曲,當然這只是在二維的狀態下。然後假設有一個小滾珠,如果沒有保齡球,膜是平坦的,小珠子會沿著一條直線滾下去。但是有球,膜被扭曲如上圖,小珠子將會沿一條回歸的曲線繞著中間的球滾動,就是說,「它滾進了軌道」。這就是引力的原來。太陽就是那隻保齡球,使周圍的空間結構發生彎曲,地球就是那顆小珠子,被彎曲的空間捲入它的軌道。只要速度的大小和方向適當,地球就會像滾珠那樣繞著太陽轉動(真空沒有摩擦力)。地球運動所受的這種影響,就是我們所說的太陽對地球的引力作用。愛因斯坦確定了引力傳播的機制,並不是因為有跟繩系在太陽上,而是太陽的存在導致空間的彎曲。

當然地球也有質量,也會使空間彎曲,所以月球繞著地球軌道運行。我們本身也有質量,也會使空間結構發生彎曲,但是質量太小,彎曲幾乎可以忽略不計。愛因斯坦告訴我們,空間的彎曲才是引力。只要有物質存在,空間就會發生彎曲。物體在時空的運動總沿著可能的最短路線——「可能的最容易的路線」或「阻力的最小的路線」。如果空間是彎曲的,這樣的路線也會彎曲。當然太陽扭曲的是周圍的三維空間,這很難用圖表現出來。只要明白引力的原理即可。

回過頭來看下矛盾,假設有一張平坦的膜,小珠子向前滾動,然後我們在前方放上保齡球,想像把小石子投入湖裡。保齡球引起的擾動就像投入湖裡的小石子,先是有波紋一樣的東西向周圍擴散,然後平息。這時的情形,就如上圖,靜止的彎曲的膜。所以當大質量物體出現時,空間會彎曲,但就像上面的情況樣,不會瞬間扭曲。而是先向外擴張,最後形成彎曲的空間結構。這就是引力。回到太陽熄滅的問題,太陽熄滅也是一個過程,會使空間結構的扭曲發生擾動,這種擾動是以光速向外擴張的。所以,太陽熄滅8分鐘以後,地球上的我們才知道太陽熄滅,而這時候我們才感受到太陽的引力消失。

第三次衝突

通過前兩次衝突,我們知道是兩個理論之間產生矛盾,為了解決這個矛盾提出新的理論。而這次的矛盾則是廣義相對論與量子力學。

矛盾:首先,廣義相對論適用於巨大的天文學尺度。在那樣的距離,愛因斯坦的理論說明,沒有物質意味著空間是平直的,以二維來說就是一張膜。而在量子力學下空間卻不是平直的,而是有漲有落,波盪起伏的。如下圖,把空間區域逐級放大,放大到普朗克尺度下(最上面那個空間區域),就能看到量子的漲落。這與愛因斯坦的理論,空間是平直的充滿了矛盾。打個比方,我們從遠處看到一副色彩均勻光亮柔和的圖畫,走近一看,卻跟光滑的畫面大不相同,原來它不過是一點點色斑,每一點都是分離的。

引力場通過空間的彎曲表現出來(膜與小珠子實驗),而量子漲落通過周圍空間越來越強烈的扭曲表現自己(如上圖)。廣義相對論的核心原理,空間幾何是光滑的。被小距離尺度的量子世界的劇烈漲落破壞了。在超微尺度上,量子力學核心的不確定性原理與廣義相對論核心的空間(以及時空)的光滑幾何模型是針鋒相對的。而通過融合這兩個理論的計算,得出的答案就是無限大。廣義相對論和量子力學的基本原理使我們能夠在某個很小的尺度上進行計算,但是低於某個尺度,出現上圖的漲落現象,就不能計算了。總結下矛盾:1)愛因斯坦的理論說明空間是平直的,量子力學說明當空間區域放大到一定程度後,空間里是有空間漲落的,而不是平直的。2)結合廣義相對論和量子力學兩個理論的計算,得出的答案是無限大。

解決:弦理論。先說下,弦理論並沒有得到證實,因為以目前技術還無法證實。當時愛因斯坦提出相對論,也是在之後得到證實。弦理論只是假想,這假想符合現在的情形。就像之前提到的牛頓運動定律,適用於大多數情形,但是也會有局限(不適用與光速情況)。不排除隨著科技的發展,弦理論被證實是錯誤的,但至少目前是滿足任何一個合理的物理學理論所要求的性質。書上有段關於弦理論的介紹

萬物都是音樂:超弦理論的基礎

當人們考慮同宇宙有關的一些問題時,音樂總是我們選擇的方向。從畢達哥拉斯古老的「天球的音樂」到「自然的和諧」,千百年來一直引導著我們去追尋天體平和運行的天然樂音和亞原子粒子混沌的喧囂。自超弦理論發現以來,音樂的幻想成了驚天的現實,因為這個理論認為,微觀世界裡到處是小小的琴弦,它們不同的振動便合奏出宇宙演化的交響曲。根據超弦理論,變化的勁風吹遍了一個充滿琴弦的宇宙。

那麼弦理論中的「弦」是什麼?根據弦理論,宇宙的基本構成要素不是點粒子,而是有點兒像細橡皮筋的上下振動著的一堆絲線,由分子和原子組成,這些絲線叫做弦。根據理論,弦是構成原子的例子的超微觀組成元。弦理論的弦小得可憐,平均大約是普朗克長度的尺寸(1.6x10的負33次方厘米),所以即使用最靈敏的儀器來檢查,也只是看到個點。

弦理論不僅解決了廣義相對論與量子力學的矛盾,更是提供了一個真正的統一理論。因為所有物質和力都來自同一個基元:振動的弦,它是大自然最基本的組成單元。簡單地說,以粒子的質量和力荷的不同來區分粒子,這是粒子的性質。而粒子的質量和力荷是由它內部的弦產生的精確的共振模式決定的。比如質量為0.00054則為電子。

那弦的共振模式是如何決定粒子的質量?根據狹義相對論E=mc2,能量(E)越大的物體,質量(c)越大。弦振動的越劇烈,能量就越大。舉個例子,有跟繩子,一端綁在柱子上,一端拿在手上,當你用手抖動繩子,抖得越厲害,需要的能量是不是越多。所以質量大的粒子所具有的弦振動較劇烈,質量小的粒子所具有的弦振動較輕柔。而粒子的質量決定著它的引力(第二次衝突里有講),所以弦的振動模式與粒子的引力作用之間存在著直接的關聯。

總結下,弦理論就是世間所有物質和力都由同一個「基元」組成的,就是弦。而弦的振動模式決定了粒子的質量和力荷。根據粒子的質量和力荷的不同,來區分到底是電子還是上夸克、下夸克之類的。引用書上的段話

弦理論搭起了一個多麼輝煌的真正的統一理論的框架。物質的每一個粒子,力的每一個傳遞者,都由一根弦組成,而弦的振動模式則是識別每個粒子的「指紋」。發生在宇宙間的每一個物理學時間,每一個過程,在最基本的水平上都能用作用在這些基本物質組成間的力來描寫,所以,弦理論有希望為我們帶來一個包容一切的統一的物理宇宙的描述,一個包羅萬象的理論(T.O.E)。

弦理論是如何解決剛才我們提到的兩個矛盾?

我們知道粒子加速器,通過粒子的碰撞來知道來認識其物體的結構。粒子的探針越靈敏,認識的結構就越細緻。粒子探針的靈敏度是由量子波長決定的,而粒子的量子波長與它的動量(大致就是能量)呈反比關係。所以,提高點粒子的能量,可以使波長越來越短,探頭越來越「尖」,描繪出的物體結構就越精細。用粒子的弦做探頭也能探測到更小尺度的結構。於是,我們增大弦的能量,當能量超過普朗克長度下的結構所要求的量時,多餘的能量不能使弦針變得更細,相反會使弦長大。就是說,弦不能探測到普朗克長度以下的現象(上圖的那個空間漲落現象)。如果宇宙的物質基元不能探測到普朗克尺度下的距離,那麼無論這些基元還是它們組成的事物(如粒子),都不可能受那些量子漲落的影響。簡單地說,就是不存在,之前我們假想用粒子來探測,通過不斷增加能量使粒子變得越來越小,最後小到普朗克尺度。但事實是連粒子的弦都探測不到,更別說粒子了。而通過廣義相對論與量子力學的結合,從粒子推導出來的無窮大也就消除了。空間漲落是我們假想在任意小的尺度下出現的,但現在連構成宇宙萬物的弦都不能探測到,證明空間漲落只是個從理論推導出來的理想現象,就像用馬克思主義推出共產主義社會。

參考資料

宇宙的琴弦 (豆瓣)


在古希臘,哲學家就在討論,世界萬物的最小組成部分是原子。

但是現代科學已經發現,原子又由電子核原子核組成。原子核又可以分裂為亞原子粒子。

然後科學家發現,再沒有一個簡單的框架,來限定加速器里發現的幾百個亞原子粒子:中微子,夸克,強子,膠子等等。在大自然的最基本層次上,存在一堆稀里糊塗的亞原子粒子群。

而弦理論的出現,就是為了解釋為何有如此多的奇異的亞原子粒子群。

亞原子粒子就像可以在小提琴的弦上演奏的音調,或者在架子鼓的鼓膜上演奏的鼓點。

如果我們能夠用一個超級牛逼的顯微鏡觀察一個亞原子粒子的心臟,我們會發現它不是中微子,夸克,輕子,強子,而且一個振動的弦。

這些弦依次以不同的頻率振動和共鳴,如果我們能夠撥動這些弦,那麼它就可以從一個夸克,變成一個中微子,或者再變成一個介子。

這些眾多區分的亞原子粒子,其實只是弦的不同音調。

如果弦理論確實成立,那麼我們現有的物理學定律,只是人們為了弦寫出來的協奏規律。

化學定律是總結出來的,可以在這些弦上演奏的悅耳音調。

數學,是弦演奏的抽象音樂符號。

宇宙本身,則是弦的交響樂。

而愛因斯坦所寫的「上帝的心思」,是整個超空間的宇宙音樂共鳴。

唯一的問題是,如果宇宙真的是弦的交響樂,那麼這首樂章的作曲家是誰?

Reference:

《Parallel worlds》Michio kaku


簡單的解釋:

1. 弦是構成宇宙的基本物質單元。

2. 弦的不同震動方式決定了宇宙的基本物理規律。


舉手,舉手,跳著舉手。介個問題我要回答。

當我還是個小美眉,被謝耳朵迷的五迷三道的時候,因為愛屋及烏深入的八過這個問題。

甚至為了這個問題去找物理系的師兄們搬回來了一堆物理書廢寢忘食的啃了那麼兩個星期,但是,然並卵!!該不知道的還是不知道,哦耶~

But我是這麼容易就屈服滴人嗎?這條路搞不定我換條路搞定它唄。

於是就開始了無節操無下限的跟屁蟲生活,每日跟著師兄,師兄師兄你為啥這麼帥呢?師兄師兄一日不見咋就變得如此英武逼人呢?

在做了半來月的跟屁蟲後,師兄終於後知後覺的發現無事獻殷勤,非奸即盜。識破了我的陰謀詭計。

於是師兄同志無節操無下限沒臉沒皮的敲詐了我三天午飯後,開始了艱巨的科普活動。

首先,我們得知道為神馬會出現弦理論?

因為我們親愛的(蛋疼的)物理學家們發現了兩個好玩的小夥伴,一個叫宇宙大爆炸,另外一個叫做黑洞。一般物理學家們對於這些東西都喜歡用愛因斯坦的方程式對他們進行比劃。

結果我們親愛的愛因斯坦方程式在遇到這兩兄弟的時候,忽然失靈了,不好用了!~

物理學家們拍腦門一想,我了個去,這還得了?我們得趕緊搞出個牛逼的東西把這兩兄弟解釋解釋。

於是弦理論就華麗登場了。。。(此處應有掌聲。啪啪啪~~~)

其次,我們得知道弦理論到底說了些神馬?

介個嘛~~就要從盤古開天地說起了。別走別走啊。我長話短說好了。

首先, 弦理論認為宇宙是多元的。

那麼宇宙大爆炸又是如何產生的呢?

愛因斯坦大叔認為:我們都是小蟲蟲住在了一個大大的肥皂泡泡上面,這個泡泡呢它自己一直不停的擴大擴大再擴大,我們就像一隻倒霉的蒼蠅給困在這個泡泡上面,(見過蒼蠅貼嗎?對就是介個樣子滴)我們沒有辦法逃離這個肥皂泡,這就是宇宙大爆炸理論。

弦理論則認為,介個宇宙一定還有別滴泡泡,在一個多元化的宇宙泡泡裡面,當兩個宇宙玩碰撞時,pia的一聲就可能會合成一個宇宙;當一個宇宙想不開玩人格分裂時,就會誕生出兩個宇宙來,這就是物理學家們認為的宇宙大爆炸。

然後,重點來了。

弦理論認為宇宙大爆炸是由於宇宙的碰撞or分裂導致的,假設有其他的次元,那麼我們是不是可以閑的沒事就去別的宇宙做個Spa ,泡個外星人呢?

當然這個我也知道很難,但是物理學家叔叔們也和我有一樣的愛好,閑的沒事就跑去電影院吃爆米花喝可樂,然後有一天被他們發現一個叫《愛麗絲夢遊奇境》的電影,不得了了不得了了,物理學家叔叔們就開始開腦洞了。不如我們在宇宙間建立一個蟲洞吧?

um....我在思索要不要解釋一下蟲洞。

還是解釋一下吧,我們都知道兩點之間直線最短(小學數學,不會的回去找數學老師要學費),但是假設我們把畫線的那張紙對摺一下,那麼也許我們就可以找到一個捷徑,直接穿越過紙張達到另外一個點,穿越時間和空間的捷徑,這就是蟲洞。

也是愛因斯坦方程式的一個解答。

那麼,現在問題來了,穿越這樣的蟲洞現實嗎?

介個嘛,別看我,我也不知道,連被外星人玩壞了的霍金叔叔都不知道,物理家們還在每天為了這個吵得翻天了。

但是我知道他們在試著找到一種能穿越蟲洞的理論,因為如果能實現的話,就可以用來製造 time machine啦。。。

是不是很後現代???天才們的世界,我不懂啊。。。。我還是吃飯睡覺打豆豆吧。


既然是弦就應該有直徑呀 既然有直徑那就是三維物體呀 既然是三維物體那就是。。。你懂得哦。。。。再一個 既然弦能震動 那它內部就有一定的作用力啊 既然有作用力那它就說明還有更微觀的東東咯 哈哈。。。。。


首先,萬物都是彈奏音樂的弦String),但是弦是有尺度的,簡單可以和琴弦類比,這一點很深刻,因為它直接排除了數學上無窮小的意義,比最小的弦還小物理上沒意義;絕大多數構成萬物的弦的尺度在普朗克尺度左右,而目前最強大的加速器也不過才製造出了標準模型(SM)中的費米子和波色子,以它們為量綱還是遠遠達不到觀測弦的要求,也就是極難在實驗中驗證理論本身;弦理論依賴的數學極其複雜,愛德華.威藤以前一直依賴所謂的「微擾論」(簡單可以看作近似計算);弦理論創造了更多的令我們常人難以想像的高達10(9)維的空間,其幾何描述依賴於卡丘空間(丘就是大家大都偶爾聽聞過的丘成桐);弦理論似乎能解釋眾多廣義+狹義相對論+量子力學不兼容的事實,但由於其微擾的研究方法使得它無法解釋黑洞奇點等理論。最後,弦理論或多或少有些超越物理的哲學味道。

註:愛德華威藤:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%88%B1%E5%BE%B7%E5%8D%8E%C2%B7%E5%A8%81%E6%BB%95

觀點源自維基百科和布萊恩格林的書,如有誤歡迎指正。


物理不存在!物理不存在!物理不存在!高能狀態下什麼都是一樣的。


推薦閱讀:

為什麼在毛細現象中,水就能和管壁浸潤(因而上升),而水銀就不和管壁浸潤(因而下降)?
你理解中的量子力學?
原子沒有殼,外層是電子云,為何組成物體有穩定表面?
為什麼核裂變可以釋放能量,核聚變也可以釋放能量,而且可以釋放更大能量?這樣還遵守能量守恆定律嗎?
為什麼波函數可以用列矩陣表示?

TAG:物理學 | 超弦理論 | 理論物理 |