物理学上的弦理论,你知道多少?
在物理学中,爱因斯坦的相对论能够很好地解释宏观物理现象,而量子力学则能够很好地解释微观物理现象,但两者很难结合到一起。于是,包括爱因斯坦在内的很多物理学家都在寻求统一场理论,以期把物理学中的四大基本作用力(引力、电磁力、强核力和弱核力)结合在一起。弦理论就是这样一种理论,它在数学上把相对论与量子力学统一在一起。
一直以来,物理学家认为物质都是由各种亚原子粒子组成的。但在弦理论看来,组成物质的最基本结构是振动弦,而非亚原子粒子,弦的不同振动频率产生了不同性质的粒子。弦的尺寸极其微小,如果把一个原子放大到整个太阳系,那么弦还没有一颗树大。基于这些微小的振动弦,弦理论能够优雅地解释了四大基本作用力。
最初的弦理论建立在十个维度之上,比我们所认知的四维时空多了六维。该理论认为,另外六个维度蜷缩在普朗克尺度上,这是宇宙中最小的可测长度。自弦理论发展以来,物理学家提出了数个似乎都是正确的弦理论。此后,弦理论学家又在数学上增加了第十一维,从而把几个弦理论统一成M理论。
M理论的第十一维预测了一种新型的弦,它能够无限延长创造出所谓的膜。根据这个理论,存在着无数个膜,并且每个膜都是一个平行宇宙,这样就能解决统一引力的问题。虽然物理学的标准模型已经统一了电磁力、强核力和弱核力,但引力仍然难以结合。该问题的部分原因是引力相较于其他三种力非常微弱。而M理论在数学上得出结果,之所以引力非常微弱,是因为它只是从平行宇宙中泄漏出来。
M理论认为,弦可以是开放的,也可以是闭合的。开弦有一个端点附着在它们所在的膜上,使物质包含在膜内。人类被认为是由开弦组成,这就是为什么我们无法进入其他维度,也无法与其他维度交互。然而,闭弦没有附着在它们所在的膜上,所以能够从中泄漏出去。如果传递引力的引力子是由闭弦组成,那么,引力就能从平行宇宙中泄漏到我们宇宙。
此外,弦理论还能解释宇宙大爆炸。按照现有的理论,宇宙诞生于一个奇点的大爆炸,但物理学家一直不清楚是什么原因引起的。而根据弦理论,两个膜的碰撞会导致宇宙大爆炸。
然而,弦理论的最大问题在于它无法得到实验的证实,目前还只是一种数学方法。因此,对于该理论的批评不在少数。尽管如此,支持者相信,随着技术的进步,未来将会发现弦理论的证据。