弦理論發現宇宙只有達到26維，才能兼容廣義相對論和量子力學

物理學試圖揭示自然界的最基本規律 它包括了廣義相對論和量子力學兩個重要理論 這兩個理論分別描述了宏觀和微觀的物理現象 它們都有很強的實驗支持和預測能力 但是它們卻是不兼容的 這就導致了一個物理學的悖論 我們無法用現有的理論來解釋宇宙的起源和本質 爲了解決這個悖論 物理學家們尋求一個更高層次的理論 一個可以統一廣義相對論和量子力學的理論 一個可以解釋所有自然現象的理論 一個可以揭示宇宙的終極真相的理論 這個理論被稱爲萬有理論或者理論的理論 目前最有希望的候選者之一就是弦理論和超弦理論 這兩個理論認爲所有的基本粒子 包括引粒子都是由一維的弦構成的 這些弦可以在不同的維度上振動 產生不同的粒子和相互作用力 弦理論和超弦理論的優點是 它們可以實現廣義相對論和量子力學的統一 它們的缺點是它們需要引入很多額外的假設和實體 這些假設和實體都很難被實驗驗證 也很難被直觀理解 今天將向大家介紹弦理論和超弦理論的發展歷史和目前的困境 以及它們對物理學的影響和意義 宇宙是什麼 它是如何運行的 它是由什麼構成的 這些問題一直困擾着人類 也激發了人類對物理學的探索 物理學是一門試圖揭示自然界最基本的規律和原理的科學 它包括了兩個最重要的理論 廣義相對論和量子力學 廣義相對論是愛因斯坦在20世紀初提出的 它描述了引力是如何通過時空的彎曲來傳遞的 它可以很好地解釋宏觀尺度的天體運動和引力現象 量子力學是20世紀上半葉發展起來的 它描述了微觀尺度的粒子的行爲和性質 它可以很好地解釋原子結構和電磁輻射等現象 廣義相對論和量子力學都是物理學的巔峯之作 它們都有很強的實驗支持和預測能力 它們都被認爲是最接近真理的理論 然而廣義相對論和量子力學卻有一個致命的缺陷 那就是它們是不兼容的 這意味着當我們試圖用廣義相對論和量子力學 來描述同一個物理現象時 我們會得到矛盾的結果 這種不兼容性在極端的情況下尤爲明顯 比如黑洞的起點或者宇宙的大爆炸 在這些情況下 時空的彎曲和粒子的量子效應都達到了極限 廣義相對論和量子力學都無法給出合理的答案 這就導致了一個物理學的悖論 爲了解決這個悖論 物理學家們一直在尋求一個更高層次的理論 一個可以統一廣義相對論和量子力學的理論 一個可以解釋所有自然現象的理論 一個可以揭示宇宙的終極真相的理論 這個理論被稱爲萬有理論或者理論的理論 目前最有希望成爲萬有理論的候選者之一 就是弦理論和超弦理論 弦理論和超弦理論是20世紀下半葉開始發展的 它們的核心思想是 所有的基本粒子 包括引粒子 都不是沒有內部結構的點狀物 而是由一維的弦構成的 這些弦可以是開的 也可以是閉的 它們可以在不同的維度上振動 就像吉他弦一樣 不同的振動模式對應着不同的粒子 就像不同的音符對應着不同的聲音 弦理論和超弦理論的優點是 它們可以用同一套數學框架 來描述所有的基本粒子和相互作用力 包括引粒 從而實現了廣義相對論和量子力學的統一 弦理論和超弦理論的缺點是 它們需要引入很多額外的假設和實體 比如多餘的維度 超對稱性 模理論等 這些假設和實體都很難被實驗驗證 也很難被直觀理解 因此弦理論和超弦理論 也受到了很多的質疑和批評 有些人甚至認爲 它們不是真正的科學 而是數學上的玩具 爲了更好地理解弦理論 和超弦理論的發展歷史和目前的困境 我們需要從它們的起源說起 也就是標準模型 標準模型是20世紀中期建立的 它是一種描述微觀粒子 和三種基本相互作用力的理論 標準模型中的粒子可以分爲兩類 一類是自眩爲整數的玻色子 它們是力的傳播子 比如光子是電磁力的傳播子 焦子是強力的傳播子 W和Z玻色子是弱力的傳播子 另一類是自眩爲半整數的費米子 它們是物質的組成部分 比如電子 夸克 中微子等 標準模型是一種非常成功的理論 它可以很精確地預測和解釋 很多微觀現象 比如粒子的衰變 碰撞 散射等 標準模型也是一種非常完備的理論 它可以用很少的參數和方程 來描述很多的粒子和相互作用力 標準模型的一個重大成就是 它實現了弱力和電磁力的統一 也就是電弱相互作用 這是在20世紀60年代 由楊振寧 沙朗 格拉肖等人提出的 他們因此獲得了諾貝爾物理學獎 電弱相互作用的核心思想是 弱力和電磁力在高能量的情況下是同一種力 它們的傳播子都是無質量的 但是在低能量的情況下 由於對稱性的自發破缺 弱力和電磁力分離開來 弱力的傳播子變得有質量 而電磁力的傳播子保持無質量 這就解釋了 爲什麼弱力的作用範圍比電磁力要小得多 標準模型雖然很優秀 但是它並不是萬能的 它也有自己的侷限性和問題 標準模型的一個顯著的缺陷是 它無法包含第四種基本相互作用力 也就是引力 引力是我們最熟悉的一種力 它是由廣義相對論描述的 廣義相對論的核心思想是 引力不是一種傳統意義上的力 而是一種時空的幾何屬性 物體的質量和能量會使時空發生彎曲 而時空的彎曲又會影響物體的運動軌跡 廣義相對論可以很好地解釋引力的現象 比如引力的彎光 引力的紅移 引力波等 廣義相對論的一個重大成就是 它預測了宇宙的膨脹 也就是宇宙大爆炸理論 這是在20世紀20年代 由弗裏德曼 勒梅特爾 羅伯遜和沃克等人提出的 他們根據廣義相對論的方程 發現了宇宙是一個動態的 不斷變化的系統 它可以從一個極小的 極熱的 極密的狀態開始 然後不斷地膨脹和冷卻 形成了我們今天看到的各種星系 星雲 行星等 這個理論得到了宇宙微波背景輻射 它被認爲是最合理的宇宙起源的解釋 廣義相對論雖然很偉大 但是它也有自己的問題和困難 廣義相對論的一個顯著的缺陷是 它無法和量子力學相協調 也就是說 它無法描述引力在微觀尺度上的行爲 按照量子力學的邏輯 引力也應該有一個傳播子 也就是引力子 它是一種自眩爲二的波色子 它可以在時空中傳遞引力的信息 但是 當我們試圖用量子力學的方法 來計算引力子的性質時 我們會得到一個無窮大的結果 這意味着這個理論是不自洽的 也是不完備的 這個問題在極端的情況下尤爲嚴重 比如黑洞的起點 或者宇宙的大爆炸 在這些情況下 引力的強度和時空的區率 都達到了無限大 廣義相對論和量子力學都失效了 我們無法用它們來描述這些奇異的現象 這就是物理學家們一直想要解決的問題 也就是引力的量子化問題 爲了解決引力的量子化問題 物理學家們提出了很多的理論和假設 比如量子引力理論 環面量子引力理論 非交換幾何理論 引力的自洽性理論等 但是 這些理論都沒有得到很好的發展和驗證 它們都存在着很多的困難和問題 比如數學上的複雜性 實驗上的不可檢驗性 物理上的不可解釋性等 在這些理論中 最有前途的也最有爭議的 就是弦理論和超弦理論 弦理論和超弦理論的起源 可以追溯到20世紀60年代 當時物理學家們在研究強相互作用的時候 發現了一種叫做共振的現象 就是當兩個粒子碰撞的時候 會產生一種新的粒子 這種粒子的壽命很短 很快就會衰變成其他的粒子 物理學家們發現 這種共振的粒子的質量和自旋之間 有一種很簡單的關係 就是質量的平方和自旋成正比 這種關係被稱爲Rege軌跡 它可以用一個直線來表示 物理學家們試圖用一個數學模型 來解釋這種現象 他們發現 如果假設這些粒子不是點撞的 而是由一維的弦構成的 那麼就可以很自然的得到Rege軌跡的結果 這就是弦理論的雛形 它被稱爲波色弦理論 因爲它只能描述自旋爲整數的波色子 波色弦理論雖然可以解釋 強相互作用的一些現象 但是它也有很多的問題 第一個問題是 波色弦理論無法描述 自旋爲半整數的費米子 而費米子是構成物質的基本組成部分 它們是不可缺少的 第二個問題是 波色弦理論會預測出一種不存在的粒子 就是筷子 它是一種超光速的粒子 它的質量是一個負數的平方根 這種粒子是違反狹義相對論的 也是違反因果律的 它是不可能存在的 第三個問題是 波色弦理論只能在26維的時空中成立 而我們感知到的時空只有4維 3維的空間和1維的時間 這多出來的22個維度是從哪裏來的 又去了哪裏呢 這些問題使得波色弦理論 無法成爲一個完整的物理理論 它只能被看作是一種數學上的模型 爲了解決波色弦理論的問題 物理學家們又提出了一種新的理論 就是超弦理論 超弦理論是在20世紀70年代開始發展的 它是在波色弦理論的基礎上 增加了一種新的機制 就是超對稱性 超對稱性是一種對稱性 他認爲 每一種費米子都有一個對應的波色子 反之亦然 這樣就可以將費米子和波色子之間對稱起來 也就可以用弦理論來描述費米子了 超對稱性的一個好處是 它可以消除塊子的存在 因爲塊子的對應粒子是引粒子 而引粒子的質量是0 所以塊子的質量也是0 就不會出現超光速的情況 超對稱性的另一個好處是 它可以降低弦理論需要的維度的數量 從26維降到10維 這樣就減少了一些多餘的維度 超弦理論的一個重大成就是 它可以自然地包含引粒子 也就是說 它可以用同一套理論來描述所有的基本粒子和相互作用力 包括引力 從而實現了廣義相對論和量子力學的統一 這就是超弦理論的魅力 也是它被認爲是慣有理論的候選者的原因