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我叫弦,但我一点都不玄

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作者:科普中国来源:科普中国

 弦理论的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子、质子、夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的“能量线”所组成。


作为宇宙万物基本组成单元“潜力股”候选人,我的粉丝群里有好多好多大人物——诺贝尔物理学奖得主、菲尔兹和基础物理学奖得主。科学家希望我的出现可以把这些粒子和力纳入同一个理论框架,也就是找到一个让宇宙万物都有章可循的理论。


Hi!我的名字叫弦,人家可不是琴弦的弦,是作为宇宙万物基本组成单元“潜力股”候选人的弦。


什么?!你可能认为我疯了。在你的常识里,世界明明是由那些原子、质子、中子、电子、夸克这帮叫做粒子的家伙组成的呀。


但我真的不是自卖自夸。就在上周,好多科学家从世界各地赶来,在清华大学开了个高大上的会议,叫2016国际弦理论大会,就是专门讨论我呢。这些科学家里有好多好多大人物,比如诺贝尔物理学奖得主啦,菲尔兹和基础物理学奖得主啦……


你肯定半信半疑,心里想着我这么玄乎,粉丝里竟然会有这么多大科学家?不过我要告诉你,其实我一点都不玄,不信你就听我把话讲完?


我其实是为“劝架”而生的


如果它们两个走在一起,在时空的每一个点上,既可以有黑洞,也可以没有黑洞,而且如果有黑洞的话,黑洞的质量可以任意大。


要说清楚我的身世,还得从20世纪诞生的现代科学的两位老大哥说起。你肯定听过它们的名字,一个是广义相对论,一个是量子力学。


广义相对论由爱因斯坦亲手培养,它一鸣惊人地提出,万有引力的本质是时空的弯曲。量子力学专门关注微观世界里那些粒子的运动规律。它的重大发现之一就是,所有的粒子还有一个身份,那就是波。


这两位老大哥在科学界都大名鼎鼎,备受科学家推崇。但令人心痛的是,它们走到一起时,却常常会闹矛盾。


就拿一件小事来说吧。量子力学常把测不准原理挂在嘴边。在它看来,对粒子的位置测量得越准,对其动量就越测不准。对粒子的时间测量得越准,对其能量就越测不准。广义相对论却不这么想。它认为,时间和空间之间,能量和动量之间,都是不分你我、可以互换的。你可以把时空定位到非常非常精确的某个点上。


它们的分歧看起来鸡毛蒜皮,实际上后果非常非常严重。你把它们说的放到一起想一想:如果时间和空间都无比精确地定格在某个点上,意味着能量和动量的不确定性就无穷大。可是如果一个点的能量密度达到无穷大,就会出现黑洞……


也就是说,如果它们两个走在一起,在时空的每一个点上,既可以有黑洞,也可以没有黑洞,而且如果有黑洞的话,黑洞的质量可以任意大。是不是细思极恐?


为了让这两位举足轻重的大人物握手言和,不出现到处都是黑洞的情况,科学家们操碎了心,后来我就应运而生了。对,我就是来劝架的。



我的愿望是万物有章可循


就像你弹动琴弦,它会发出不同的声音一样。在我的世界里,粒子只不过是我的振动造成的,我振动的频率不同就会带来不同的基本粒子。


其实想来劝架的人很多,我最初引起科学家们的注意还真是有点偶然。


上世纪60年代,两个理论物理学家在分析强相互作用现象时,发现他们列出的数学公式里需要一些特殊函数才能满足这个现象的某些特殊性质。后来,又有其他科学家倒推这个公式,发现这个公式背后藏着我这样的一维的弦。


是的,通常大家所知道的粒子是零维的,而我是一维的,因为我拥有长度。你可以把我想象成一根橡皮筋,我可以像完好的橡皮筋一样,是个圆圈,这时大家叫我闭弦;也可以像断开的橡皮筋一样,这时大家叫我开弦。


想知道我是怎么劝架的吗?简单来说,自然界有各种各样的粒子,还有电磁力、引力、强相互作用力和弱相互作用力等各种不同的力。科学家希望我的出现可以把这些粒子和力纳入同一个理论框架里,也就是找到一个让宇宙万物都有章可循的理论,姑且称之为万物理论吧。这样两位老大哥就打不起来了,对吧?


要想理解我的世界,你可得先开开脑洞。在我的世界里,粒子只不过是我的振动造成的,我振动的频率不同就会带来不同的基本粒子。就像你弹动琴弦,它会发出不同的声音一样。至于自然界存在的不同的力,你可以想象一下,完整的橡皮筋可以一分为二,变成两根断开的橡皮筋;断开的橡皮筋又可以二合为一,变成完整的橡皮筋。这些橡皮筋之间不断的相互作用就带来了不同的力。


三十多年前,又有科学家通过数学进行推导,发现这个世界里并非只有我,还有一种类似于膜的东西,当然它的尺度和我一样也非常小。可想而知,橡皮筋与膜之间也可以互相发生作用,互相转换,而且带来不同的力。


下面恐怕要说最让你费脑筋的了。你肯定认为世界是三维的,再加上时间这个维度就是四维。但是我的世界是十维的。其他六个维度去哪里了?举个例子,一个人在两座高楼之间走钢丝,人看到的钢丝是一维的,因为人只看到了钢丝的长度;而对于钢丝上的蚂蚁来说,钢丝却是二维的,因为蚂蚁看到的是一个平面。世界的十个维度或许也是以类似的方式被你当成四维了,只是你没有察觉到而已。


我在乖乖等待科学家的验证


至于科学家亲眼验证到我是否存在,或许还要等很多年。但我知道,科学家肯定会想方设法把人们认为最小的单元“砸”开,“砸”出更基本的单元,改变人类对世界的认知。


听我啰嗦了这么多,不知你现在是嘴巴张得更大了,还是开始觉得我有点靠谱?


实话说,我的世界虽然听起来比你平时感受到的世界奇怪很多,但这都是理论物理学家经过反复推导验算出来的,所以我刚才说的那些至少在数学的角度上是成立的。而且科学家在描述我的存在的时候,尽量沿用物理学中已经被证实的概念和理论,所以我可不是推翻所有理论然后自己信口雌黄。在成为万物理论的道路上,我从来不拒绝站在巨人的肩膀上。


但要是你问我,怎么证明我说的是真的,我就无言以对了。因为我的世界所涉及的尺度是实在是太小了,大约是科学家目前所能观测到的尺度的10的15次方分之一,他们可能没有办法用现有的科技手段直接证明我的存在。不过有一种东西倒是有可能间接佐证我的存在,那就是大型粒子对撞机。


说来话长,在关于我的理论中有一个非常重要的分支叫做超弦理论。并不是说我在这个理论里升级成了超级版,而是理论物理学家通过数学推导发现,我的世界里同样存在超对称现象。说白了,我的振动带来的每一种基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。


4年前,科学家利用坐落于欧洲日内瓦的大型强子对撞机发现了希格斯·玻色子。现在,他们在寻找这种粒子是否还拥有兄弟姐妹,以及是不是拥有超对称伙伴。如果科学家利用大型强子对撞机,找到了包括希格斯·玻色子在内的基本粒子的超对称伙伴,那对我的粉丝科学家们当然是莫大的鼓舞。


至于科学家亲眼验证到我是否存在,或许还要等很多年。但我才不会气馁,因为我知道,科学家这群淘气的孩子肯定会想方设法把人们认为最小的单元“砸”开,“砸”出更基本的单元,改变人类对世界的认知。这个过程,从来就不是一蹴而就的,是一步一步攀登科学高峰,然后看到越来越神奇的宇宙风景。说不定哪一天,他们爬得足够高时,就会找出足够的证据告诉你,我上面说的那些话,哪些是真,哪些是假。


嗯,心急吃不了热豆腐。从预测引力波的存在,到人类直接探测到引力波,广义相对论大哥都等了100年呢。我也会乖乖等待科学家们的验证。


文章分类: 物理视野