加载中…超弦理论与量子引力
(2018-04-03 16:58:16)
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宇宙大爆炸理论 |
要完全理解像宇宙是从何而来，为什么宇宙大爆炸发生在137亿年前，是否在它之前存在什么，关于奇点，比如黑洞，以及标志宇宙本身诞生的奇点，我们需要更好地了解什么。
为了达到这个目的，大多数科学家都认为，引力的量子理论（也被称为“量子引力”或“统一”或其它一切。）的理论是必要的，它与广义相对论相结合（我们目前最好的尺寸非常大的理论）和量子理论（我们目前最好的尺寸很小的理论）。这些似乎是根本不相容的概念，甚至爱因斯坦，他一生中的大部分时间都致力于统一理论，简化理论。此外，他在几个方面尝试，以求得到这种综合。
在20世纪70年代，统一理论的最有力的候选者大概是超重力，这是一种超对称原理与广义相对论结合的场论。
但是，尽管这种方法看起来很有希望，但很快就明显看出，所涉及的计算是如此漫长和困难，可能永远无法证明。然而，在1984年左右，主要是为了回应迈克尔·格林和约翰·施瓦兹的开创性论文，在理论物理学的世界里，赞成弦论（或更具体地，超弦理论）的观点有了显著的变化，一种范例转变有时被称为“第一次超弦革命”。
图 艺术家对超弦理论基本实体的印象
Archive/June-16-2000.html)
弦理论最初是在20世纪60年代末由加布里埃尔·威尼齐亚诺、伦纳德·苏斯金德等人的著作提出的，它认为物质的基本构成块不是点状粒子，而是不可想象的小的一维振动弦能量，它有长度，但没有其他维度，就像无限细条的弦或缠绕。弦可以是开的(即有端点的)或者是闭的(即以回路方式连接的)，并且随着时间的推移，弦经历时间的过程由二维条(开弦)或管(闭弦)表示。
宇宙由弦组成的概念和我们在实验中实际观察到的类似点状的粒子之间似乎存在着不一致之处。然而，这是因为弦太小了，即使用我们最好的技术，我们也无法辨别它们的形状，所以在我们看来，它们只是微小的无特征点，就像肉眼和显微镜下看到的一粒尘埃的差别一样。为了对所涉及的尺度有一些了解，一条弦的大小与电子大小相比，就像老鼠与整个太阳系相比一样小(大约小20个数量级--10的-20次方)。
但是弦理论真正的美在于它看宇宙中的一切，所有的物质，所有的力，都是由一个单一的成分组成的。弦是由超浓缩的质量能组成的，它像小提琴弦一样振动，每个不同的振动模式对应于一个基本粒子(如电子或光子等)。一个粒子被另一个粒子发射或吸收，表现为弦的分裂或连接，作用在粒子上的力对应着复杂网中连接粒子弦的其他弦。
根据弦理论，宇宙是一种交响乐，物理定律是它的和弦。然而，弦的振动发生在一个10维的世界中，在我们的普通空间中，每一个一维点实际上都由一个复杂的六维几何结构组成，所有这些都是以普朗克长度(最小距离或大小，用它可知任何东西，大约1.610^-35米)的尺度包裹在一起的。这些微小能量线的振动质量取代了宇宙量子描述中的粒子和场。振动的强度是我们在世界上看到的质量，振动的模式是诸多基本力。
多维卡拉比-丘成桐流形的三维投影
事实上，弦理论起源于一个不可思议的26维理论，在发现了一个叫做卡拉比-丘成桐（Calabi-Yau）
流形的对称数学对象之后，简称为超弦理论(“超对称弦理论”的简化)的10维理论。
广义相对论暗示将引力解释为四维时空中的曲率，它以一种可能与量子力学相一致的方式与超弦理论的基本概念相一致，因此人们希望引力和量子理论之间长期寻求的综合就自然出现。
事实上，超过十个维度(除了我们熟悉的四个维度外，其它所有维度都卷缩到其直径与普朗克尺度相同的微小弦)，甚至有可能将自然界中的所有基本力都容纳到关于一切事物的一个理论模型中，即量子引力。
超弦理论也可能有助于解释另一个困扰物理学家多年的问题：为什么引力比其他基本力弱得多。如果弦太小，我们看不见或测量不到，那么就假定引力的影响只有在高维水平上才能完全感受到。然而，弦太小，我们看不见(而且可能太小，我们永远看不见)这一事实，使一些人怀疑弦理论到底是科学，还是属于哲学领域。
然而，超弦理论的验证都是在数学上，它仍然是令人沮丧的抽象和理论的，特别是因为我们显然不能实际观察到这样微小的物体，也不能清楚地可视化多维方面。此外，至少有五种不同的、相互竞争的超弦理论已经发展起来，其中没有一个是结论性的，无论多么优雅。
然而，自从威滕（Ed
Whitten）在1995年对这一领域做出贡献以来，有一些证据表明，包含11维度可能能够调和这些相互竞争的理论，从而表明它们只是看待同一事物的五种不同的方式。它还可能使超弦理论与超重力理论(自1980年代初以来基本上就被忽视)保持一致。
随着11维数的增加，宇宙的基本构造块不再是一根弦，而是一个膜或薄膜，从而导致该理论被指定为膜理论或M理论，这是M理论先驱伯特·奥夫鲁特
（Bert Ovrut）在2001首次描述的。
然而，很快就清楚了，新的11维甚至比超弦理论的其他空间维度更奇怪，它无限长，但只有10^-23米宽，所以理论上它的存在距离我们的三维世界的每一点都不到万亿毫米，但对我们来说完全没有感觉。
图 艺术家对波纹膜的可视化
2008/07/31/parallel-universe/)
M-理论和11维的结合也符合多元宇宙的存在，这是理论物理中许多不妥协问题的方便但最终无法证明的解决办法。
例如，如果膜运动和波纹，就像它所认为的那样，那么像奇点(和大爆炸本身)这样的事件就可以被想象成波纹状的膜之间偶然碰撞的结果，而我们宇宙的原始大爆炸只是平行宇宙膜之间不断相遇的众多大爆炸中的一个。
11维度的这一美景表明，比起早期在太空中平静漂浮的膜的形象，这是个更加暴力和活跃的地方。它还表明，时间实际上可以追溯到我们所知道的宇宙大爆炸的最初奇点，即产生大爆炸的平行宇宙(有时被称为“大
啪哒”)，这是一个可能的答案，自从大爆炸理论被提出以来一直困扰着物理学家。这一切都让人产生了一个相当令人不安的想法：无限多个宇宙，可能每个宇宙都有不同的物理定律，而我们的宇宙仅仅是一个微不足道的成员，它是一个无穷无尽的多重宇宙的一部分，在这个多重宇宙中，大爆炸一直在发生。
但平行宇宙的存在似乎为理论上的大多数突出问题提供了合理的答案。例如，一些物理学家(特别是丽莎兰德尔)认为M理论可以解释我们宇宙中引力的明显微弱，如果我们感受到的弦作为重力
（引力子）不是末端开口的弦，它被绑在我们的3维膜或宇宙（就像粒子弦和其它力）但是，自含的弦的封闭环，它可以因此而自由地逃往其它我们无法体验的维度。或者，是另一种方式，是否我们只是经历来自附近其它膜(和其它宇宙)的全部力的小泄漏。
然而，超弦理论(以及它的分支理论，M-理论)绝不是目前所追求的“万物理论”的唯一候选者。事实上，一些物理学家认为，这对科学来说是一场灾难，让许多最优秀的大脑在一场白热化的追逐中失去了理智。其他方法包括“环形量子引力”(其中空间被表示为网络结构，称为“自旋网络”，粒子由于空间的普朗克长度而被编织，且编织在一起，并随着时间以离散的步骤演化)，“因果动态三角测量”(一种独立于背景的方法，试图展示时空编织结构本身是如何演化的)，“因果集合”(一种假设时空从根本上是离散的，并且时空事件是由偏序来关联的)，甚至最近的一种称为万物例外简单理论。
大爆炸理论连载文章到此结束。
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