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解读:宇宙中最基本的单元是粒子还是波?

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宇宙时空 2021-04-19 22:09

弦理论的基础

1984年,格林和施瓦兹提出了弦理论,这个革命性的理论修正了我们对宇宙超微观性质的理论描述,随着一批批物理学家的前赴后继,使得该理论和爱因斯坦的相对论和量子力学相容了。弦理论的出现并不是一帆风顺的,它经历了两次作者称之为“超弦革命”。

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第一次是发生在1984年到1986年,是“第一次超弦革命”,在那3年里,全世界的物理学家们为超弦理论写了近一千多篇研究论文。弦理论被誉为当地最伟大的理论之一,但此后又经历了一系列质疑和低谷。

第二次是1995年,惠藤在南加利福尼亚一次物理学大会上发表演讲,提出了一套新的方法,有望克服以前所遇到的理论障碍,全世界的超弦理论家们又一次看到了希望的曙光,我们称之为“第二次超弦革命”。

弦理论有几个基本理论

1:宇宙的基本构成要素不是点粒子,而是像细橡皮筋的上下振动着的唯一丝线,各种不同的粒子只是这个线圈的不同振动模式。

2:宇宙中所有的物质和力都来自于这种振动的线圈,我们称之为:弦,它非常非常的小,平均大约是普朗克长度的尺寸,大小是原子核的一万亿亿分之一(小数点后19个零)。

3:弦是构成宇宙万物真正的“原子”,可以称之为“基元”,比它再小的物质已经没有什么意义。

弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈,粒子的能量就越大;振动越轻柔,粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象:当我们用力拨动琴弦时,振动会很剧烈;轻轻拨动它时,振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理,能量和质量像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现:大能量意味着大质量,小能量意味着小质量。因此,振动较剧烈的粒子质量较大,反之,振动较轻柔的粒子则质量较小。

依照弦理论,每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成,而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙,就像一支伟大的交响曲。

在量子理论中,每一个粒子还具有波的特性,这就是波粒二象性。现在我们明白了,粒子的波动性就是由弦的振动产生的。

物理学家还发现,弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间,一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。这里又涉及到了四种基本力。

宇宙中存在着各种类型的力,是它们把散沙般的基本粒子结合在一起,组成了各种各样的物质,并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力:引力、电磁力、强力和弱力。

这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引,两个有质量的物体间就存在引力,物体的质量越大,引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的,一个 粒子可以带正电荷,或者带负电荷,同性电荷相斥,异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷,则不受电磁力的影响,不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克 结合在一起的力,所以也叫核力。像电磁力一样,也起源于电荷,不过只是夸克间的电荷,物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推 和拉的效应,像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。

四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说,假定以电磁力的强度为一个单位强度,则强力要比这个单位大出100倍,弱力只有 1/1000,引力小到几乎是可以忽略不计的:在微观世界中,它只有电磁力的1040分之一!从作用范围上来说,引力的作用范围是宇宙范围的;电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远,但实际上,大多数物体正负电荷相互抵消,其外部都呈电中性;而强力和弱力的作用范围则极小,只能在粒子范围内发生作用。

这四种强弱悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。

超弦的“超”

物理定律的对称性

从138亿年前的宇宙大爆炸开始,我们的就时刻在变,可以说是瞬息万变,而我们假定主宰这些变化的定律是固定不变的,即使这些定律在变,也应该是非常缓慢的。物理学家们将这种物理定律不随时间和空间的变化的性质称之为自然的对称性。就像引力、电磁力、强力和弱力在不同的尺度上都应该具有一样的规律一样。

自旋

基本的粒子(如电子)能像地球围绕太阳旋转一样围绕着原子核旋转。但电子并没有表现出类似地球自转一样的规律。但是100年前法国人安培证明了磁性来自电荷的运动。后来物理学家们证明了电子既像地球一样公转,也会像地球一样自转,而且不仅在电子身上表现出这样的特性,在其他三族物质粒子中也表现出类似的特性。也就是在宏观的世界中和微观的世界中,我们观察到的规律是一致的。

在弦理论的背景下,自旋与质量和力荷一样,也关联着弦的振动模式。而且在所有弦振动模式中,一种没有质量的2-自旋,正是引力的标志性特性。哪里出现了引力子,哪里就有引力。这也证明了弦具有引力的特性。

超对称性

1973年,物理学家韦斯和朱米诺发现超对称性,从新构造的弦理论中出现的那种新的对称性,也能用于以点粒子为基础的理论。这是一个重要的发现,把超对称性引入到点粒子的量子场论框架中。随着80年代中叶超弦理论的复苏,超对称性又在原理发现它的背景下出现了。超对称性的出现,让我们解决了包括费米子振动模式问题,也实现了引力的量子理论,超对称性与弦理论的融合,从而实现了四种自然基本力在弦理论中的大统一。

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