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宇宙的本质是振动吗?世界上最小的物质,1分钟了解弦理论

简单就为美,爱因斯坦就推崇这种简单美。它的质能方程就是如此的简单,体现了一种独特的公式美。

过去,在微观领域,我们认为构成物质最基础的单位就是原子了。这就是一种简单的美,只需要原子就能构造整个世界。然而随着越来越多基本粒子的发现,这一简单美被破坏了。

自原子对撞机和粒子加速器问世以来,如今已发现数以百计的亚原子粒子,如:中微子、夸克、介子、轻子、强子、W玻色子等等。显然对于如此繁多的亚原子粒子,我们很应当怀疑是否有更基础的单元来构成我们整个世界。

而如今最有可能统一这些繁多的基本粒子的终极理论是——弦理论。

宇宙的本质是振动吗?世界上最小的物质,1分钟了解弦理论

微观领域的弦

根据弦理论,我们的宇宙是由一个个振动的弦来组成,在粒子的波粒二象性方面,它更体现了波动的优点。

闭合的弦一般是普朗克长度(1.6×10^-33cm)的尺度,大约是原子核的一万亿分之一。

像琴弦的不同振动模式奏响不同音乐那样,一根基本弦的不同振动模式生成了不同的质量和力荷。一个“基本”粒子的性质是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定。

弦的振动模式的能量取决于它的振幅和波长。振幅大的和波长小的,能量较大。狭义相对论告诉我们,大能量意味着大质量,大质量也就是大能量。

所以,这就能让科学家们通过一个假想的弦,然后运用数学方式自由描述其他“基本”粒子了。

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吉他琴弦

弦理论的诞生,最初是来自欧洲核子研究中心维尼齐亚诺,在研究粒子内部强核作用力时他突然发现,欧拉函数非常符合他研究的数据,可以用来描述强核作用力的各种性质,但他不知道为什么?

随后被其他科研人员发现背后的物理学秘密,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们的核相互作用就能精确地用欧拉函数来描述。

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闭合的弦振动

同简单美一样,对称也是一种美。物理学家们相信,既然大自然大多数方面都遵循一种对称美,没道理在基本粒子领域不遵循这种规律。他们猜测,每一种亚原子粒子都应该有它的超对称粒子,尽管众多亚原子粒子的超对称粒子至今还未被发现过。

但这种对称理论,不仅统一了大自然的力,也统一了物质的基本组成,具有最大可能的对称性,因为这一点,它们被称为超对称。

同样对于更小的弦,物理学家们也把超对称性包含进来了,所以如今弦理论也被称为“超弦理论”。

然而,物理学家们发现,超对称性(那时已成为弦理论结构的核心元素)实际上可以通过5种不同的方式进入弦理论。这就有点不符合前面提到的简单美了,或者说物理学们说的大统一。

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卷曲的弦的额外维

在爱因斯坦的相对论中,我们知道空间和时间是相对的,空间和时间是对称关系,时间也是另一种空间。所以可以用四维空间(三维空间维,一维时间维)描述我们的世界。

由于物理界诸多理论的不统一,有学者卡鲁扎就想尽办法通过增加一个维度,来统一爱因斯坦的相对论和麦克斯韦的电磁理论,并提出宇宙的空间结构可能不只有我们寻常感觉的三维。

类似的,满足终极理论——弦理论需要9维空间和一个时间维,其中另外6维空间(卡拉比-丘成桐空间)像吸管一样卷缩在一起,所以我们看不到。所以,也许有些读者听别人说过,我们的宇宙有可能是10维空间。

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卷曲的吸管

​然而,有5种方式描述超弦理论,这5种方式不可能都是对的,所以物理学家爱德华·威滕提出了更进一步的理论——M理论。

该理论又增加了一个维度,认为上述5种超弦理论都是对的,只不过是11维空间的一个特殊解。

对此,我们也可以持怀疑态度,毕竟弦理论目前也只能在数学上进行论证。但物理学家们靠弦的振动描述整个宇宙,真的很有创意。有人可能会问,还有比弦更小的物质吗?小编个人认为是没有的,毕竟弦是融合物质和能量的临界线。假如真的还有更小的物质的话,像俄罗斯套娃一样,那也不错,那代表我们对宇宙的认识也更加深了一步。

对此你有什么看法呢?欢迎留言讨论。

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