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超弦理论简介

2009-06-30
超弦理论,超弦M-理论简介
超弦理论简介,超弦M-理论简介

  要认知多维空间就必须先搞清楚什么是“超弦理论”?

  超弦理论认为,不存在粒子,只有弦在空间运动,各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用,所有的物质和能量,都可以用弦的分裂和结合来解释。在每一个基本粒子内部,都有一根细细的线在振动,就像小提琴琴弦的振动一样,因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。拨动吉他一根弦,你会听到一个音。拨动另一根弦,你会听到另一个不同的音调,因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通过一个吉他的六弦合奏,使这些弦在不同频率振动,便可创造出无数美妙的音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样,粒子内部的弦也有不同的振动模式,只不过这种弦的振动不是产生什么音乐,而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定,电子是以某种方式振动的弦,上夸克又是以另一种方式振动的弦,如此等等。

  弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈,粒子的能量就越大;振动越轻柔,粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象:当我们用力拨动琴弦时,振动会很剧烈;轻轻拨动它时,振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理,能量和质量像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现:大能量意味着大质量,小能量意味着小质量。因此,振动较剧烈的粒子质量较大,反之,振动较轻柔的粒子则质量较小。

  依照弦理论,每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成,而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙,就像一支伟大的交响曲。

  在量子理论中,每一个粒子还具有波的特性,这就是波粒二象性。现在我们明白了,粒子的波动性就是由弦的振动产生的。

  物理学家还发现,弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间,一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。

  这里又涉及到了四种基本力。

  宇宙中存在着各种类型的力,是它们把散沙般的基本粒子结合在一起,组成了各种各样的物质,并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力:引力、电磁力、强力和弱力。

  这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引,两个有质量的物体间就存在引力,物体的质量越大,引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的,一个粒子可以带正电荷,或者带负电荷,同性电荷相斥,异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷,则不受电磁力的影响,不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克结合在一起的力,所以也叫核力。像电磁力一样,也起源于电荷,不过只是夸克间的电荷,物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应,像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。

  四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说,假定以电磁力的强度为一个单位强度,则强力要比这个单位大出100倍,弱力只有1/1000,引力小到几乎是可以忽略不计的:在微观世界中,它只有电磁力的1040分之一!从作用范围上来说,引力的作用范围是宇宙范围的;电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远,但实际上,大多数物体正负电荷相互抵消,其外部都呈电中性;而强力和弱力的作用范围则极小,只能在粒子范围内发生作用。

  这四种强弱悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。

  弦本身很简单,只是一根极微小的线,弦可以闭合成圈(闭弦),也可以打开像头发(开弦)。一根弦还能分解成更细小的弦,也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如,一根开弦可以分裂成两根小的开弦;也可以形成一根开弦和一根闭弦;一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦;两根弦碰撞可以产生两个新的弦。

  但是当一根弦在时空中移动时,它就没那么简单了。弦的运动是如此的复杂,以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹,必须有高达十维的空间才能满足它的运动(十维空间是数学方程计算的结果)。就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成,而必须在三维空间中完成一样。

  点粒子内部的空间不是三维的,可能还有很多维,这似乎非常不可思议,不过,认真想起来,高维空间的存在完全是合理的。为了看清这一点,我们可以举一个水管的例子。我们知道,水管的表面是二维的,但是当我们从远处看它时,它却像是一维的直线。这是为什么呢?原来,水管的那两维很不一样,沿着管子伸展方向的一维很长,容易看到;而容易绕着管子的那一个圆圈维很短,“卷缩起来了”,不容易发现。你必须走近水管,才能看清绕着圆圈的那一维。

  这个例子表明了空间维度的一个微妙而又重要的特征:空间维有两种。它可能很大延伸得很远,能直接显露出来;它也可能很小,卷缩了,很难看出来。水管比较粗大,绕着管子的那一维很容易就看到。假如管子很细——像一根头发丝或毛细管那样细,要看那卷缩的维可就不那么容易了。

  在最微小的尺度上,科学家业已证明,我们宇宙的空间结构既有延展的维,也有卷缩的维。就是说,我们的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的维——我们寻常经历的三维,也有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧卷缩在一个微小的空间,即使用我们最精密的仪器也根本不能探测它们。

  那些看不见的维可能会有多小呢?我们最先进的仪器能探测到百亿亿分之一米的结构,如果那些维度卷缩得比这个尺度还小,我们就看不见了。科学家的计算表明,卷缩的维可能小到普朗克长度(即10-33厘米),是目前的实验远远不可能达到的。

  在宇宙的极早期,它诞生的10-43秒内,它的直径仅有10-33厘米,含有丰富的十维空间,所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那样的空间中,宇宙的能量极高、温度极高,所有四种力都融为一体,相对论和量子理论可以归结为一个理论。

  但是,这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的,就像胀气太多的气球,于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来,逐渐形成了我们今天可感知的宇宙;而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度(即10-33厘米)以内。

  当宇宙处在1032K这样极高的温度(这温度比我们得到的太阳的温度高1026倍)时,引力与其他大统一力分离开来,引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力,。随着宇宙进一步胀大和冷却,其它三种力也开始破裂,强相互作用力和弱—电力剥离开来。

  当宇宙产生10-9秒之后,它的温度降低到了1015K,这时弱—电力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度,所有四种力都已相互分离,宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后,随着宇宙进一步冷却,夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后,稳定的原子核开始形成。

  当大爆炸发生30万年后,最早的原子问世。宇宙的温度降至3000K,氢原子可以形成,其不至于由碰撞而破裂。此时,宇宙终于变得透明,光可以传播数光年而不被吸收。

  在大爆炸发生100至200亿年后的今天,宇宙惊人的不对称,破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却至3K,这已接近绝对零度。

  这就是宇宙的演变史,随着宇宙的渐渐冷却,力将解除相互的纠缠,逐步分离出来。首先引力破裂出来,然后强相互作用力,接着弱力,最后只有电磁力保持不破缺。

  超弦理论还给我们带来一个更加令人震惊的结果:我们的空间结构居然是离散的,而不是连续的!在本书中,我也将时间归纳为离散的,而否定它传统意义上的线形。在我们的日常经验中,空间和时间总是无限可分的,但事实却大谬不然。空间和时间都有自己的最小值:空间的最小尺度为10-33厘米,时间的最小值是10-43秒。因为当空间小到10-33厘米后,时间和空间就会融为一体,空间维度就会高达十维,在这样的情况下,即使空间还能分割,那也是我们目前所不能了解的了。在本书中依照此定律出现了一个十二维空间,而空间调查局便是设在此处了。

  事实上,量子理论就是关于“离散的量”理论,“量子”一词的含意就是“一个量”或“一个离散的量”。早在1900年,量子理论刚诞生时,科学家们就发现,在微小的粒子世界,能量是一份一份发出的,而不是连续发出的。就像人民币的最小单位是“分”,乒乓球只能一个一个地买,而不能半个半个地买,这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。

  虽然当时科学家已经知道了粒子能量的不连续性,但他们却不知道为何有这种不连续性,只是被迫接受而已。但现在我们都知道了,这与空间的不连续性密切相关。正是由于空间有最小的、不可分割的单位,才会影响到基本粒子的能量发射方式。

  现在,我们基于时间和空间是连续的旧理论必须被抛弃,在普朗克尺度下,弦是一段一段的,开弦就是一段线,闭弦就是一个圆圈,每一个弦片携带的都是一份一份的动量和能量。

  空间具有一个最小的、不可分割的值,这个不可思议的现象会导致什么样的结果呢?我们很容易想到:我们宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来,在这一份份的空间包中间,极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝!

  如果你想把本书涉及到的超弦与多维空间理论搞的更清楚,可以参考下霍金先生那本震撼世界的《时间简史》!
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