描繪大統(tǒng)一的宇宙圖景 ——超弦理論簡(jiǎn)述
描繪大統(tǒng)一的宇宙圖景
——超弦理論簡(jiǎn)述
在網(wǎng)上看到一篇介紹超弦理論的文章，通俗易懂，很喜歡。將它簡(jiǎn)述如下，以備日后查閱——
相對(duì)論和量子理論，是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。但這兩個(gè)理論卻有著根深蒂固的矛盾。導(dǎo)致這個(gè)矛盾的，是宇宙中的四種基本力：引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力。
（從前人們認(rèn)為，）引力源于物體質(zhì)量的相互吸引，兩個(gè)有質(zhì)量的物體間就存在引力，物體的質(zhì)量越大，引力就越大。電磁力是由粒子的電荷產(chǎn)生的，一個(gè)粒子可以帶正電荷，或者帶負(fù)電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。如果一個(gè)粒子不帶電荷，則不受電磁力的影響，不會(huì)感受到排斥力和吸引力。強(qiáng)力主要是把夸克結(jié)合在一起的力，所以也叫核力。像電磁力一樣，也起源于電荷，不過只是夸克間的電荷。弱力的作用是改變粒子而不對(duì)粒子產(chǎn)生推和拉的效應(yīng)，核聚變和核裂變這兩個(gè)過程都是受弱力支配的。
愛因斯坦的廣義相對(duì)論就是關(guān)于引力的理論，他指出：空間本身是有形狀的，當(dāng)沒有任何物質(zhì)或能量存在時(shí)，空間應(yīng)該是平直光滑的，當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量物體進(jìn)入空間后，平直的空間就發(fā)生了彎曲凹陷，引力就是因?yàn)檫@樣的空間彎曲而導(dǎo)致的（是不是應(yīng)當(dāng)說，根據(jù)愛因斯坦的理論，根本就沒有引力，“引力”僅僅是空間發(fā)生彎曲后的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，導(dǎo)致空間發(fā)生彎曲的原因是巨大的質(zhì)量。）。
但空間的幾何形變卻解釋不了其它三種力，對(duì)另外三種力的解釋需要量子理論來完成。量子理論研究微觀世界里基本粒子的行為，在這個(gè)理論體系中，宇宙中所有的物質(zhì)最終由數(shù)百種不同的基本粒子組成，力是由粒子的交換而來的，電磁力由光子交換而來，強(qiáng)力由膠子交換而來，弱力由弱規(guī)范玻色子交換而來。
但是，因空間彎曲所導(dǎo)致的引力是無法通過粒子交換而來的，而且，在微觀世界里，粒子的自身質(zhì)量不僅小到幾乎沒有，還總是在雜亂無章地運(yùn)動(dòng)，它們之間的引力從何談起？因此，量子理論無法涵蓋引力。
廣義相對(duì)論與量子理論不能統(tǒng)一，成為現(xiàn)代物理學(xué)的災(zāi)難。人們很難相信，在宇宙的微觀層面和宏觀層面，居然不是一個(gè)統(tǒng)一連貫的整體，我們對(duì)宇宙最深處的認(rèn)識(shí)居然是由兩個(gè)分裂的理論拼接起來的。
所有這些力有沒有一個(gè)共同的根基？也許在基本粒子內(nèi)部存在一種更深層的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)尚未被我們所理解？
自20世紀(jì)60年代以來，在科學(xué)家孜孜不倦的努力下，一個(gè)新的理論逐漸形成，這就是超弦理論。超弦理論認(rèn)為，在每一個(gè)基本粒子內(nèi)部，都有一根細(xì)細(xì)的線在振動(dòng)（是不是應(yīng)當(dāng)說，每一個(gè)基本粒子，其實(shí)都是一根細(xì)細(xì)的不停地振動(dòng)的線？），就像小提琴琴弦的振動(dòng)一樣，這根細(xì)細(xì)的線被科學(xué)家形象地稱為“弦”。
粒子內(nèi)部的弦有著不同的振動(dòng)模式，只不過這種弦的振動(dòng)不是產(chǎn)生什么音樂，而是產(chǎn)生一個(gè)個(gè)粒子。不同粒子的性質(zhì)由弦的不同振動(dòng)行為來決定，電子是以某種方式振動(dòng)的弦，上夸克又是以另一種方式振動(dòng)的弦，如此等等。
20世紀(jì)初，量子理論剛誕生時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在微小的粒子世界，能量是一份一份發(fā)出的，而不是連續(xù)發(fā)出的，但他們卻不知道為何有這種不連續(xù)性。
有了超弦理論就很好理解，弦是一段一段的，開弦就是一段線，閉弦就是一個(gè)圓圈，每一段弦片攜帶一份動(dòng)量和能量。弦的振動(dòng)越劇烈，粒子的能量就越大；振動(dòng)越輕柔，粒子的能量就越小。
根據(jù)超弦理論，空間和時(shí)間都有自己的最小值：空間的最小尺度為10-33厘米，時(shí)間的最小值是10-43秒。當(dāng)空間小到10-33厘米后，時(shí)間和空間就會(huì)融為一體，空間維度就會(huì)高達(dá)十維。
宏觀的空間結(jié)構(gòu)是由一份份最小的空間包組合起來的，在這一份份的空間包中間，極有可能存在著我們無法探測(cè)的空間裂縫！小小的十維空間包以及它們之間的裂縫存在于我們空間的每一個(gè)角落，只要有足夠的能量，我們可以在任何地方鑿開一個(gè)蟲洞。
在量子理論中，每一個(gè)粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。現(xiàn)在我們明白了，粒子的波動(dòng)性就是由弦的振動(dòng)產(chǎn)生的。那一個(gè)個(gè)點(diǎn)粒子其實(shí)并不是一個(gè)個(gè)實(shí)體的點(diǎn)，而是一個(gè)個(gè)更微小的空間結(jié)構(gòu)。
弦的振動(dòng)模式與粒子的引力作用之間存在著直接的聯(lián)系。同樣，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強(qiáng)力也完全由它的振動(dòng)模式?jīng)Q定。除了有開弦閉弦，一根弦還能分解成更細(xì)小的弦，也能與別的弦碰撞構(gòu)成更長(zhǎng)的弦。
當(dāng)一根弦在時(shí)空中移動(dòng)時(shí)，它就沒那么簡(jiǎn)單了。弦的運(yùn)動(dòng)是如此的復(fù)雜，以至于三維空間已經(jīng)無法容納它的運(yùn)動(dòng)軌跡，必須有高達(dá)十維的空間才能滿足它的運(yùn)動(dòng)，就像人的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜到無法在二維平面中完成，必須在三維空間中完成一樣。這個(gè)十維空間是數(shù)學(xué)方程計(jì)算的結(jié)果?？臻g維有兩種，它可能很大延伸得很遠(yuǎn)，能直接顯露出來；它也可能很小，卷縮了，很難看出來。在最微小的尺度上，科學(xué)家業(yè)已證明，我們宇宙的空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有緊緊卷縮在一個(gè)微小的空間的卷縮的維，計(jì)算表明，卷縮的維可能小到普朗克長(zhǎng)度（即10-33厘米），即使用我們最精密的儀器(最先進(jìn)的儀器能探測(cè)到百億億分之一米的結(jié)構(gòu))，也根本不能探測(cè)它們。
在我們的三維空間里，相對(duì)論和量子理論就像兩塊互不相干的碎片，永遠(yuǎn)也拼合不到一起。但把宇宙變?yōu)槭S空間，這兩塊碎片就會(huì)令人震驚地結(jié)合得天衣無縫，成為一個(gè)更完整的理論大廈的兩根互相依存的支柱！雖然我們?cè)谌S空間中無法想象和描述一個(gè)多維的空間，但我們卻能通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程推導(dǎo)出它的存在。
在宇宙誕生的10-43秒內(nèi)，宇宙的直徑僅有10-33厘米，含有豐富的十維空間，所有的空間維都平等地卷縮在一起。在那樣的空間中，宇宙的能量極高、溫度極高，所有四種力都融為一體，相對(duì)論和量子理論可以歸結(jié)為一個(gè)理論。
但是，這樣高維度、高能量、高溫度的空間是極不穩(wěn)定的，就像脹氣太多的氣球，于是大爆炸發(fā)生了。維度被解散、能量發(fā)散、溫度降低。三維的空間和一維的時(shí)間無限延伸開來，逐漸形成了我們今天可感知的宇宙；而另外六維的空間則仍然卷縮在普朗克尺度（即10-33厘米）以內(nèi)。
當(dāng)宇宙處在1032K這樣極高的溫度時(shí)，引力與其他大統(tǒng)一力分離開來，引力隨著宇宙的膨脹而不斷延伸成長(zhǎng)程力。隨著宇宙進(jìn)一步脹大和冷卻，其它三種力也開始破裂，強(qiáng)力和弱-電磁力剝離開來。
10-9秒之后，宇宙的溫度降低到了1015K，這時(shí)弱-電磁力破裂為電磁力和弱力，所有四種力都已相互分離，宇宙成了由自由夸克、輕子和光子組成的一鍋“湯”。稍后，隨著宇宙進(jìn)一步冷卻，夸克組合成質(zhì)子和中子。它們最終形成原子核。3分鐘后，穩(wěn)定的原子核開始形成。
大爆炸發(fā)生30萬年后，最早的原子問世。
宇宙就這樣生成了。
有了超弦理論，浩瀚宇宙中所有紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象都可以追溯到同一個(gè)源頭，人類發(fā)現(xiàn)的大大小小的規(guī)律最終都可以被一個(gè)根本的規(guī)律所囊括。隨著十維空間的崩裂，超弦理論也分裂成兩個(gè)理論——相對(duì)論和量子理論，此后，隨著物質(zhì)豐富性的增加，它們又分裂成更多的理論。人類溯源而上，終于描繪出了大統(tǒng)一的宇宙圖景。
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