Y2T30 物理學發展史

早，原計劃今天寫三體，三體幾乎囊括了經典物理學和現代物理學的概念。

所以萌生一個想法，今天不寫三體，先理一理物理學發展史。

昨天中午和我們的天體物理學的boss聊幾句天，很有感觸，

於至簡，黑洞就是個粒子，站在粒子的角度去理解宇宙。

於至繁，站在普朗克尺度，一顆電子簡直就是個星球。

如果去理解量子，那站在高於量子的一個維度，則一切就太容易相通了的。

進入主題，理一理物理學發展史和幾次經典衝突。

物理學目前還在M理論，這是什麼？ 如何驗證？ 科學家要考慮的問題。

--分割線，下文文字摘自網路--

超弦理論與M理論

　　愛因斯坦在晚年一直想要找出一種「大統一理論」融合量子力學與廣義相對論，許多科學家也想找出一個包羅萬象的理論來解釋世間的一切，可惜一直未能成功，直到超弦理論的出現。超弦理論是真正的顛覆性理論，初次接觸這一理論並能保持鎮定的人是不多的。超弦理論的困難在於缺乏實驗證明和數據支持，以現有的技術水平還無法獲得那麼大的能量，因此還不能被認為是正確的。可因為相對論和量子力學近幾十年似乎都發展到了盡頭，長期沒有突破性進展，而超弦理論能夠出色地解決量子論和相對論的矛盾，並能將許多物理學分支融合到一起，因此許多物理學家都轉移到超弦理論的研究當中，並發現這一理論的博大精深。

超弦理論的核心思想

1.萬物的基礎都是弦

　　在亞原子世界裡存在很多種微觀粒子：電子、中微子、上夸克、玻色子……超弦理論認為，所有微觀粒子都是由一根一維的弦振動形成的，弦的不同振動模式形成不同質量和電荷。而這條弦是宇宙的最小基元，無法再分，其尺度大約是普朗克長度（原子核的一千億億分之一，小數點後18個零）。兩個點粒子撞擊，如正電子和負電子湮滅產生光子，其實是兩根振動的弦相遇形成第三根弦。萬物都是弦，整個宇宙就是一個偉大的交響曲。

　　廣義相對論認為，宇宙膨脹到一定程度之後會收縮，一直收縮到一個無窮小的點；而超弦理論認為，宇宙收縮到普朗克長度以後就達到極限，之後會再次大爆炸，一直這樣循環往複下去……

　　在廣義相對論里，空間和時間形成一個光滑彎曲的幾何結構；而在量子力學中，空間和時間都在經歷著量子漲落，而且在越小尺度上漲落越激烈，從而產生衝突。而在弦理論主宰的宇宙中，我們不可以將大自然無限地分割下去，在量子力學預言的那種瘋狂漲落出現以前，就會達到極限。

2.超對稱宇宙

　　量子論、相對論……我們有很多物理學定律，那麼這些定律是在宇宙的所有時間、所有地點都成立，還是僅在某種條件下成立呢？我們認為物理學定律不隨運用的時間或地點而改變，稱之為自然界的「對稱性」。此外，物理學認為所有的方向都是平等的，這也是一個對稱性原理。此外，還有什麼我們忽略的對稱性嗎？有，超對稱。

　　物理學家發現電子存在自旋，並且永遠以固定不變的速率轉動；進而發現，所有的微觀粒子——光子、引力子等都存在自旋，只是速率不同。而在弦理論里，不同的自旋也關聯著不同的振動模式，而弦理論數學也使人發現了一種「不可能存在於現有宇宙的、完全相反的振動模式」，稱之為「超對稱」，這也是「超弦理論」名稱的來源。

　　超弦理論預言，所有的微觀粒子都是成對出現的，如電子應該有一個自旋性質相反夥伴「越電子」，光子也應該有夥伴「超光子」。這些粒子之所以無法被發現，是因為它們存在於自旋性質完全相反的「超對稱宇宙」里。

3.自然力的整合

　　科學證明了自然界存在四種基本自然力：引力、電磁力、弱力和強力（引力和電磁力大家比較熟悉，弱力和強力是作用於原子核內和放射性物質里的力），科學家一直在嘗試用一種「大統一力」來整合四種力。量子場論已經將電磁力、弱力和強力統一起來，證明了它們不過是微觀的量子薄霧所產生的不同影響的效果，在極高溫度和極小尺度下它們的表現將會完全相同。想像兩條坐標軸，橫坐標是溫度，縱坐標是力的強度。隨著溫度的升高，三個力會均會平滑的增大或減小，並且最後交於一點——可是引力並不與這一點相交。此外，物理學家還發現，如果將計算精度提高到一定程度後，原本相交於一點的三個力其實也是不相交的。

　　可是在超弦理論下，超對稱粒子能夠產生完全相反的量子漲落，使那些力的強度趨於一點，從而將四種力統一起來，這是一方面。另一方面，要想真正將引力和電磁力的方程整合起來，則需要推到更高維的空間。

4.多維空間

　　我們所感知到的空間是三維的，愛因斯坦在廣義相對論里將時間作為第四維，形成四維時空理論。而超弦理論認為空間有更多的維度。在把廣義相對論和量子力學方程結合起來的時候會出現很多無窮大的結果，這在弦理論里已經解決了；然而還會出現很多負概率的結果，這是不可思議的。後來科學家們發現，其實負概率產生的原因是出現了一個「不存在的方向」，如果把這個方向擴展成一個新的空間維就會消除所有的負概率，從而形成了多維空間理論。

　　多維空間很難從形象上理解。以三維為例，我們能感受到的方向是前後左右和上下，而在四維空間里，還會多出一個方向「內外」；即四維空間有四個坐標軸，其中第四條垂直於另外三個坐標軸。就像平面是立體的切面一樣，三維空間也只是四維空間的一個「切體」，這也就意味著四維空間的物體將會更為複雜（有興趣的可以研究一下《四維空間幾何學》）。更高維的空間更難以想像，大概只有數學上的意義。

　　從前人們認為引力與電磁力是兩種完全不同的力，然而將空間增加一個維度後就會發現，愛因斯坦的廣義相對論方程與麥克斯韋的電磁學方程完全統一起來。超弦理論認為，引力和電磁力都是同一種力在低維空間的不同表現形式。

5.多重宇宙

　　超弦理論認為，空間既有延伸的維度也有捲曲的維度，捲曲維度的大小約為普朗克尺度，遠遠超出實驗儀器的觀測。除了我們熟悉的三個展開空間維之外，還有六個捲曲維，即九維空間——再加上一個時間維，宇宙應該十維時空。而每一條不可細分的振動的弦，其實都是一個六維的宇宙！！這些六維空間具有無數種不同的幾何形狀，但是都能滿足一定條件，稱之為「卡－丘空間」（以賓夕法尼亞大學數學家卡拉比和哈佛大學華裔數學家丘成桐命名）。卡－丘空間在物理學界影響極大，近代弦理論的研究幾乎都在圍繞卡－丘空間進行。

　　這就是超弦理論驚人的觀點之一，不禁讓人聯想到佛家的「一沙一世界」。事實上對於弦來說，不要說沙子，就是一個原子也太大了，在一個原子裡面也存在數量寵大的卡－丘空間。這還不是最不可思議的，更令人震驚的結論是，我們這個宇宙也可能只是其他宇宙里的一根弦！！

6.微觀與宏觀

　　廣義相對論對應著黎曼幾何，二者結合起來完美解決了宏觀世界的絕大部分問題；而在微觀尺度上，隨著量子力學、超弦理論、多維空間理論的發展，也形成了相應的量子幾何來解決卡－丘空間幾何形態的問題。

　　超弦理論認為，弦的能量來源有兩種——振動和纏繞。而且，任何一個捲縮維半徑大的弦結構都對應著一個半徑小的弦結構，前者的弦的振動能等於後者的纏繞能，而前者的纏繞能等於後者振動能。由於物理學關心的是弦結構的總能量，而不是能量如何在振動和纏繞之間分配，所以這兩個幾何形態「在物理層面上沒有任何區別」。而這兩種幾何形態在尺度上滿足倒數關係。

　　假設一個卡－丘空間的半徑為R=10*普朗克長度，則必定有一個R=1/(10*普朗克長度)的卡－丘空間與之對應並且完全等效，或者說它們是同一個空間，沒有什麼不同也無法區分它們。在點粒子理論里距離只有一種定義，而在弦理論里距離有兩種定義：纏繞的弦和未纏繞的弦，兩種定義所得到的結果一個是R一個是1/R，在物理上是完全等價的。因此，每個捲縮的維都有一個半徑，它與半徑為倒數的維將生成物理學上完全相同的宇宙。應用到我們所在的宇宙，我們的宇宙長度大約有150億光年，也可以認為它的長度是150億光年分之一！因此，它也可能只是另一個宇宙中的一根弦或一個微觀粒子。

　　此外，弦理論還推斷：黑洞就是另一個宇宙的入口，這個宇宙的黑洞會在空間破裂的錐形變換中生成另一個宇宙里的一個光子。因此對宇宙來說，宏觀即是微觀，微觀即是宏觀。

7.M理論

　　愛因斯坦和許多物理學家都相信，物理學理論最終會走向統一，弦理論的發展也證明了這一點。然而，弦理論在統一其他理論的同時自身卻又開始分化，形成五種完全不同的弦理論（名稱太複雜不記得了），這為許多弦物理學家帶來困擾。直到1995年第二次超弦革命以後，五種弦理論才整合為一個更大的理論框架——M理論（Mysterious 迷之理論）。

　　M理論的兩個基本特徵：一、時空是十一維的（即十維空間加一維時間）；二、振動的不是一維的弦，而是二維的「膜」。此外，弦振動有一個耦合常數，五種弦理論有四種是互相「對偶」的，一種理論的強耦合方程等於另一種理論的弱耦合方程，還有一種弦理論是「自對偶」的。M理論認為引力的本質是十一維超引力，弦不過是二維膜的簡化。正是由於這一理論的複雜性，沒有人認為自己真正了解它，所以才稱之為迷之理論。

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