弦理论为什么能一直存在?虽然强大却从未经过检验

弦理论为什么能一直存在?虽然强大却从未经过检验
2020年02月18日 08:39 新浪科技
弦理论主张“弦”以不同的振动模式对应了自然界的各种基本粒子弦理论主张“弦”以不同的振动模式对应了自然界的各种基本粒子

  新浪科技讯 北京时间2月18日消息,弦理论是一种声称有可能成为“万有理论”的假说,能够从最基本的微观尺度来解释所有现实,包括自然力和组成所有物质的基本粒子。这是一个强大的理论,但并不完整,也没有经过检验,但至今已经存在了几十年。

  然而,这个理论本身的开端并不顺利。研究者最初是用弦理论来解释强核力,而这并不是该理论所擅长的。

  从散射矩阵开始

  直到20世纪60年代,物理学家还相当自信,他们觉得自己已经发现了所谓的物质基本成分,即质子、中子和电子。他们还完成了将量子力学和狭义相对论与量子电动力学(QED)统一起来的壮举,后者是对电磁力的完全量子描述。

  但是后来,在研发出了超级强大的粒子对撞机之后,突然间,物理学家开始不喜欢他们已有的发现。通过这些仪器,物理学家对一大堆质子和中子进行了撞击,使其分裂,表明这些粒子根本不是基本粒子。更糟的是,对撞机开始产生各种新的粒子,包括介子、π介子,k介子、Ξ粒子,等等。

  控制它们的是一种新的自然力:强相互作用,又称强核力。随着不同的粒子从对撞机中出现,发展出量子电动力学的工具迅速分崩离析。物理学家们不知所措,他们愿意尝试新的想法。于是,一些理论物理学家开始绞尽脑汁,在前人的研究中寻找可能有用的数学工具。他们发现了量子力学创始人之一维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)提出的一系列有趣的想法。

  于是,弦理论诞生了!

  在量子力学的早期(20世纪上半叶),研究者还不清楚该用什么数学方法才能最好地解释这门新学科中所有奇怪的现象。20世纪30年代,海森堡提出一个相当极端的想法。当时流行的经典物理学方法是:1)写下相互作用中涉及的所有粒子的起始位置;2)建立关于这一相互作用的模型;3)按照这些粒子随时间的进化,用模型来预测结果。

  海森堡的想法正好相反,他认为,为什么我们不直接跳过所有这些步骤,而是开发一个机器,叫做散射矩阵(scattering matrix,又称S矩阵),它可以从初始状态直接跳到最终状态。我们真正想要测量的就是这一最终状态。这台机器将所有相互作用都编码在一个巨大的盒子里,而不用担心系统的进化。

  这是一个很酷的想法,但现实证明,它很难让任何人兴奋起来,最终只能不了了之——直到物理学家在60年代陷入绝望。

  通过重新使用散射矩阵方法来研究新发现的强核力,理论物理学家们扩展并发展了这一思想,并发现某些重复的数学函数特别强大。

  其他理论物理学家也加入进来,给这个框架加上了时间和空间的传统解释,并遵循了粒子的演化。他们由此取得了一些令人惊讶的发现:为了描述这种强相互作用,必须引入微小的、不断振动的弦。

  比光子还快

  这些弦似乎是强核力的基本组成部分,其量子力学振动决定了它们在微观世界中的属性。换句话说,弦的振动使其自身的外在特征和行为都像是微小的粒子。

  最终,这个弦理论的早期版本被称为重子弦理论,对于它试图解释的粒子种类,并没有达到预期的效果。这个理论极其难以发挥作用,想以此做出预测几乎不可能。它还要求存在速度超过光速的粒子,称为速子(tachyon)。这是早期弦理论的主要问题之一,因为速子并不存在;如果速子存在,就会公然违反非常成功的狭义相对论。

  另外,重子弦理论需要26个维度才能在数学上讲得通。考虑到宇宙只有四维,这个理论真的是让物理学家难以消受。

  重子弦理论的最终消亡有两个原因。首先,它做出了与实验不符的预测,而这是一个非常大的缺陷。其次,强核力的另一种理论(包括一种称为夸克的新假想粒子,以及一种能在两个夸克之间传递强作用力、被称为胶子的基本粒子),能够被折叠到量子框架中,并成功地做出预测。这个新的理论就是量子色动力学,直到今天仍然是关于强核力的主流理论。

  至于弦理论,几乎已经消失在背景中。在20世纪70年代,一旦理论物理学家意识到弦理论可以描述的范畴似乎超越了强核力,而且在找到方法摆脱理论所预测的速子之后,弦理论又会复活。尽管这个理论仍然需要额外的维度,但是物理学家已经可以将维度数量从26降低到10,听起来似乎更合理了。考虑到这些维度可能很小,并且蜷缩在我们可以直接观察到的尺度之下,弦理论似乎一点也不古怪。

  今天,依然有人在研究弦理论,并且仍然在试图用它来解释强核力。甚至有观点认为,弦理论有可能是量子引力的解决方案之一,并可能成为大统一理论。未来会如何呢?让我们拭目以待。

  什么是弦理论?

  弦理论又称弦论,其主要思想是用一段段“能量弦”作为最基本单位,说明宇宙中所有的微观粒子(如电子、夸克、中微子等)都是由一维的能量弦组成;换句话说,弦理论主张“弦”以不同的振动模式对应了自然界的各种基本粒子。目前广为接受的物理模型认为,所有物质是由零维的点粒子组成的,能够成功解释和预测许多物理现象和问题,但这一粒子模型也遇到了一些难以解释的问题。相比之下,弦理论的基础是波动模型,能够避开粒子模型所遇到的问题。更深入的弦理论不只是描述弦状物体,还包含了点状、薄膜状物体,以及更高维度的空间,甚至平行宇宙。不过,弦理论目前还未能做出可以实验验证的准确预测。(任天)

新浪科技公众号
新浪科技公众号

“掌”握科技鲜闻 (微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注)

创事记

科学探索

科学大家

苹果汇

众测

专题

官方微博

新浪科技 新浪数码 新浪手机 科学探索 苹果汇 新浪众测

公众号

新浪科技

新浪科技为你带来最新鲜的科技资讯

苹果汇

苹果汇为你带来最新鲜的苹果产品新闻

新浪众测

新酷产品第一时间免费试玩

新浪探索

提供最新的科学家新闻,精彩的震撼图片