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在弦论中,额外的六个维度是如何被紧致化的

时间: 2023-04-22 15:01:19 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 98次

在弦论中,额外的六个维度是如何被紧致化的

什么是物理中的弦论?

我们已知的各种天体,它们是按照定律从而进行有规律的运动。在新定律被逐渐发现时,导致了科学决定论的思想:必定存在一整套定律完备集合,只要给定宇宙在某一特殊时刻的状态,它们就指明宇宙从那个时刻往前往后将如何发展,这种定律必定在任何时刻任何地点都成立。

为此,科学家提出了弦理论,不久经过两次变革,衍生出了如今的M-理论。

为什么会诞生弦理论?过去两个世纪的科学家都致力于研究大爆炸之前的宇宙,目前,暴胀场让我们知道了大爆炸之前的“宇宙黑暗世纪”的模样,但再追溯到那个“点”,我们就没有再科学的理论来支持了。于是我们决定到黑洞里去寻找答案(因为黑洞奇点和我们称为宇宙开端的极为相似)。

不过在黑洞上,我们必须深入到普朗克尺度才能解决一系列复杂问题。( 在任何结合广义相对论与量子力学的量子引力理论中,若在时间短于普朗克时间、距离小于普朗克长度的尺度下,我们传统上对时间、空间的标示将会全盘瓦解。 )如今,在普朗克尺度中,一切理论都只是纯理论。

在弦理论之前, 量子力学和广义相对论是二十世纪两个非常成功的理论,但令人惊讶的是这两个理论在现有的框架下是相冲突的。 量子力学认为没有任何东西是静止不动的,任何东西都有起伏涨落(测不准原理)。广义相对论认为时空是弯曲的,弯曲时空是万有引力的起源。将这两个理论结合就可以导出时空本身也是每时每刻都在经历着量子的起伏涨落。再根据量子效应,可以得出我们宇宙的任何位置能量无穷,这显然不是科学的。很显然,我们需要一个更完备的理论。

弦论的一个基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”(包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦), 四种基本作用力“粒子”(强、弱作用力粒子,电磁力粒子,以及重力粒子),都是由一小段的不停抖动的能量弦线所构成,而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线抖动的方式和形状的不同而已。 在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子泡沬由“弦几何”代替了。


 

目前,超弦理论的时空维数为10维,所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时,可以发现所谓的T-对偶;而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的,并且满足Dirichlet边界条件,所以这些超曲面一般被称为“D膜”。研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”(M理论),是为“M”字之一来源。(相关资料源自于《果壳中的宇宙》-斯蒂芬·霍金)

在低维中观测到的不同粒子也可能是同一种粒子,在额外维数空间中,它们都是同一粒子不同方向的运动的表现。实际上,额外维数还是弦理论不可分割的一部分:弦理论的数学方程要求空间是9维的,再加上时间维度总共是10维时空。更进一步的研究表明,由M理论给出的更完全的认识揭示了弦理论的第10维空间方向,因此理论的最大维数是11维。因此,额外维是我们寻求终极模型或者理论的新进展,它意味着我们生活在一个膜的世界,一个高维时空中的四维面和膜

另外,膜(M-理论)可以解决我们在上文中所提到的修正引力理论,弯曲时空所代表的引力会弥漫到高维时空中,因为我们体验的引力与其他力不同,它能发散到额外维,但邻近我们的第二张膜会防止引力向额外维的远方发散,而且意外着在比膜间隔更大的距离上,引力衰减的速率和人们在四维情形下预想的一样。同样,由于光被限制在膜上,我们不能通过它们之间的空间传播,因此我们不能看到影子世界。这样,由于引力被传播到额外膜,行星可以围绕在影子膜上的暗质量公转,这也解决了为什么目前已知引力不能支撑整个星系的运转,当然这就是暗物质的本质所在。

目前,我们普遍认为弦理论和M-理论是物理学上的终极理论,弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的,该理论的正确与否尚待验证。

弦理论是一门理论物理学上的学说。理论里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。中文的翻译上,一般是译作"弦"。超弦理论可以解决和 黑洞 相关的问题。在弦理论中,基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子,而是一维的弦。这些弦可以有端点,或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦,弦理论中支持一定的振荡模式,或者 共振 频率,其波长准确地配合。
是理论物理学上的一个尚未被证实的理论。这种理论认为宇宙是由我们所看不到的细小的弦和多维组成的。弦论要解决的问题是十分复杂困难的,如了解为何宇宙中有这些物质和交互作用、为何时空是四维的。因为没有其它任何一个理论在这个目标上的进展可与之比拟,弦论无疑地仍是值得继续努力研究。
弦论是理论物理的一个分支学科,观点是自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的电状粒子,而是很小的“弦“。
弦论是伪装成科学的一种不明真相的假说

以科学角度看,超弦理论怎样才能通俗的解释?

超弦理论,又被称为“弦理论”,有时被称为万物理论,是一个统一的物理理论,它调和了量子理论和相对论之间的差异,以解释所有已知的力和物质的性质。根据弦理论,在最微观的层次上,宇宙中的一切都是由振动弦的环组成的,而明显的粒子差异可以归因于振动的变化。一个物体(比如苹果)和一个力(比如辐射)都可以分解成原子,原子又可以进一步分解成电子和夸克,最后可以分解成微小的振动弦环。

量子理论在微观尺度上解释能量和物质的性质和行为,而相对论则在宏观尺度上解释它。综合起来,它们构成了现代物理学的基础。然而,这两种理论的整体方面相互冲突,无法得到令人满意的统一。虽然这两种理论完全分开运作,但同时涉及到这两种理论的方程根本不起作用。爱因斯坦本人不相信自然界会对不同尺度的现象要求完全不同的行为模式,他花了30年时间寻找他所称的统一场理论。

根据弦理论,自然界中所有的力和粒子都来自弦振动的变化。例如,重力被认为是由闭合弦的最低振动引起的。自然界有10个维度(9个空间维度加上时间),而不是经典科学的4个维度(3个空间维度加上时间)。导致额外的六个维度基本上没有被发现的原因是,它们被认为是被压缩或卷曲的。

广义相对论之所以不能在亚原子水平上工作,是因为方程错误地包含了点状粒子的图形。相反,修改表达式以包含字符串循环的表示形式,可以使表达式正常工作。弦理论学家目前正在研究弦本身有多个维度的可能性,而不是像最初所认为的那样,没有质量,只有长度,没有宽度,这个想法认为弦实际上可能是膜。

关于宇宙弦理论的解释及最近进展?

弦理论是发展中的理论物理学的一支,结合量子力学和广义相对论为量子引力。弦理论用一段段“能量弦线”作最基本单位以说明世界上所有物质结构,大至星际银河,小至电子、质子及夸克一类的基本粒子都由这一维的“能量线”所组成。中文文献上,一般写作“弦”或“弦”。
较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由零维的点粒子所组成,也是目前广为接受的物理模型,也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题,但是此理论所根据的粒子模型却遇到一些无法解释的问题。比较起来,弦理论的基础是波动模型,因此能够避开前一种理论所遇到的问题。更深的弦理论学说不只是描述弦状物体,还包含了点状、薄膜状物体,更高维度的空间,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测。

弦理论的雏形是在1968年由维内奇诺(Gabriele Veneziano)发现。有说法称,他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学函数,然后在一本老旧的数学书里找到了有200年历史的贝塔函数(欧拉),这函数能够描述他所要求解的强作用力。事实并非如此,根据维内奇诺本人的说法,这个函数是他多年努力的结果,而那些“偶然发现”以及“从数学书中发现”的传言令他本人很不高兴。不久后李奥纳特·苏士侃发现,这函数可理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”,这在日后则发展成“弦理论”。

虽然弦理论最开始是要解出强作用力的作用模式,但是后来的研究则发现了所有的粒子(含反粒子),如正反夸克,正反电子(电子、正电子),正反中微子等等,以及四种基本作用力粒子(胶子、中间玻色子、光子、引力子),都能用类似方法表示成一小段的不停振动的能量弦线,而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线的长度、振动参数和形状的不同而已。
最早期的弦论叫做玻色弦理论,南部阳一郎给予最早的作用量,但是该作用量在场论的框架内难以量子化。此后亚历山大·泊里雅科夫给予一个等效的作用量,其几何含义是把时空坐标视为一个世界面的标量场,并且在世界面上满足广义相对论的一般坐标变换规则。除此之外,如果要求这个作用量同时满足在外尔变化下不变,那么自然的会要求这个世界面是一个二维的曲面。

玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型,它最重要的物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子,而是由于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点,其一是它只简单描述标量玻色子,没有将费米子引入框架内;其二没有包含一般量子场论中的规范对称性;其三是当研究它的质量谱时候发现,它的真空态是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题在推广到超弦理论后得到很好的解释。

“弦理论”这一用词所指的原本包含26维的玻色弦理论,和加入超对称性的超弦理论。在近日的物理界,“弦理论” 一般是专指“超弦理论”,为了方便区分,较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。1990年代,受弦对偶的启发,爱德华·维顿猜想存在一11维的M理论,他和其他学者找到强力的证据,显示五种不同版本的十维超弦理论与十一维超重力论其实应该是M理论的六个不同极限。这些发现带动了第二次超弦理论革新。

超弦理论(Superstring)属于弦理论的一种,也指狭义的弦理论。是一种引进了超对称(SuperSymmetry)的弦论(String Theory),其中指物质的基石为十维空间中的弦。

弦理论会吸引这么多注意,大部分的原因是因为它很有可能会成为大一统理论。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一。除了引力之外,它很自然的成功描述各式作用力,包含电磁力和自然界存在的其他各种作用力。超弦理论还包含组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙,这还是未知数。至今研究员仍未能找到一个弦论模型,其低能极限为标准模型。

额外维是相对于"四维时空"而提出的一个概念,一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。

爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的"四维时空"。1926年,德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维,也就是添加一个第五维,把爱因斯坦的相对论方程加以改写,改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此,理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。超弦理论中是一维时间十维空间或九维空间。

由于超弦理论的时空维数为10维,所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时,可以发现所谓的T-对偶;而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的,并且满足Dirichlet边界条件。所以这些超曲面一般被称为“D膜”。 研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”(M理论),是为“M”字之一来源。

在未获实验证实之前,弦理论是属于哲学的范畴,不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测,另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。

科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了,这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据,因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已,不过这至少表示研究方向还不是错误的。

最近的研究有一些是数学工具的探讨比如:《李超代数su(m|n)的Z<,4>阶化及Green-Schwarz超弦的κ-对称性分析》吴晟
随着AdS5×S5背景下的Green-Schwarz IIB超弦理论和AdS/CFT寸应的提出,弯曲背景即.AdS空间的超弦理论更是受到了广泛的关注。k-对称性是Green-Schwarz IIB型超弦作用量所具有的一种局域对称性:作用量在局域的k-变换下不变,使系统的玻色自由度等于费米自由度,从而满足超对称的要求。 这篇硕士论文主要有三项工作: 第一,在当前研究AdS5×S5背景下的Green-Schwarz IIB超弦的文献中,对于这种超弦的作用量有两种表述方法,一种是利用超代数psu(2,2/4)的左不变流给出的Caftan1-形式构造的作用量,一种是利用超代数psu(2,2/4)的流的z4阶化分量形式构造的作用量,我们利用超代数psu(2,2/4)的表示明确给出了这两种作用量的等价关系。 第二,目前已知的几种AdS超弦有:AdS5×S5弦,超陪集的李超代数是psu(2,2/4);AdS3×S3弦,超陪集的李超代数是psu(1,1/2)2;AdS2×S2弦,超陪集的李超代数是psu(1,1/2)。我们将现有的AdS超弦推广到更一般的情形一其超陪集的李超代数是su(m/n),并给出李超代数su(m/n)的Z4阶化方法。 第三,对于推广的AdS超弦,我们用一种新方法,从它的李超代数su(m/n)的矩阵入手,通过研究超代数su(m/n)矩阵的自由度,详细的分析了它的k-对称性,所得出的结论能够包含已知的几种AdS超弦,从而证明了这种方法的正确性,并能给出一种新的具有k-对称性的AdS超弦:AdS2×S1。k-对称性的主要作用是固定多余的费米自由度,从而使费米自由度等于玻色自由度,我们利用这种新方法所得出的结论可以给出一些不含有k-对称性的,但费米自由度等于玻色自由度的AdS超弦,对这些模型的进一步研究,是一种有益的探索和尝试。

外文的:《超弦微扰理论》Ido Adam《General Relativity and Gravitation》
《超弦与超弦场理论:使用指数型超分布的一种新的解决方案》C.G. BolliniM.C. Rocca《International Journal of Theoretical Physics》,
《超弦理论的超对称性和维度》M. D. POLLOCK《International Journal of Modern Physics. A, Particles and Fields, Gravitation, Cosmology》,
等等。
有一个简介,排版文字比较混乱,但大致看得清:《6.超弦理论简介doc》
http://www.03964.com/read/c4480e5f176c11a0884e6160.html
去看看《优雅的宇宙》纪录片,弦论专家介绍。
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不说了

宇宙是如何拥有多个维度?


弦理论是物理学家们认为能够解释一切事物的理论。

所有的力,所有的粒子,所有的恒量,都是在这个微小运动的理论的基础上建立的。二十世纪六十年代以来,理论家们一直在为这个理论奋斗,但是他们首先意识到,宇宙有多个维度,且比我们认知中的四个要多。

这个想法并不像听起来那么疯狂。

空间灾难

在弦理论中,振动弦的小环(在理论中,它们是现实的基本对象)表现为不同的粒子(电子、夸克、中微子等)和自然的力载体(光子、胶子、引力子等)。这个原理是基于振动。每根弦都很微小,在我们看来,它不过是一个点状的粒子,但每根弦都可以以不同的模式振动,就像你可以用吉他弦弹奏不同的音符。

不同的振动模式被认为与不同的粒子相关。所以弦振动的方式看起来像是电子,另一种像光子,等等。我们所看到的粒子碰撞,在弦理论的观点中,是一束的弦融合在一起然后分裂开来。

但要让数学起作用,我们的宇宙必须有四个以上的维度。这是因为我们通常的时空并没有给弦足够的“空间”来以它们所需要的所有方式振动,以充分表达它们作为世界上各种各样的粒子。他们太拘束了。

换而言之,弦不仅在摆动,而且是超维摆动。

目前的弦理论需要10个维度,而一个更为假设的M理论需要11个维度。但是当我们环顾宇宙时,我们只能看到通常的三个空间维度加上时间维度。我们很确定如果宇宙有超过四个维度,我们现在应该会注意到。

弦理论对额外维度的要求如何可能与我们在宇宙中的日常经历相适应?

卷曲紧凑

幸运地,研究弦理论的专家们发现了看似激进的理论的 历史 根源。

回看1919年,爱因斯坦发表广义相对论后不久,数学家和物理学家西奥多卡鲁扎就在研究这些方程,但只是为了好玩。当他在方程中加入第五维时,他发现了一些特别有趣的东西——什么也没发生。相对论方程并不真正关心维度的数量,它是你必须加入的东西,使理论适用于我们的宇宙。

但是后来卡鲁扎给第五维度增加了一个特殊的扭曲,使它在他所谓的“圆柱体条件”中成立,这一条件使一些新的问题突然冒出来:卡鲁扎恢复了通常四维中的广义相对论方程,加上一个复制了电磁学表达式的新方程。

看起来增加维度可能会统一物理学。回想起来,这个做法确实冒险。

不过,几十年后,另一位物理学家奥斯卡·克莱因试图用量子力学的观点来解释卡鲁扎的观点。他发现,如果这个第五维度存在,并在某种程度上对电磁现象能够解释,那么这个维度必须被扭曲,包裹在自己周围(就像卡鲁扎最初的想法一样),但要小得多,低到10^-35米。

弦理论的多流形

如果一个另外的维度真的那么小,我们现在不会注意到了。它太小了,我们不可能希望用高能实验直接探测它。如果这些维度被包裹在自己身上,那么每次你在四维空间中移动时,新的维度会围绕着你进行百万次运动。

这些是弦理论中弦存在的维度。

随着数学的进一步深入,人们发现弦理论所需要的额外的六个空间维度必须被包裹在一组特殊的结构中,这组结构被称为卡拉比-姚流形(Calabi-Yao流形),仅次于两位著名的物理学家。但是没有一个且唯一的流形被弦理论所允许。

大约有10^200,000。

事实证明,当你需要六个维度来蜷缩在自己身上,并给他们几乎任何可能的方法来做到这一点时,它……就叠加起来了。

这是很多不同的方式来包装这些额外的维度。每一种可能的配置都会影响它们内部的弦振动的方式。由于弦振动的方式决定了它们在宏观世界中的行为,所以每一种多样性的选择都会导致一个具有自己的物理集合的不同宇宙。

因此,只有一种多样性才能产生我们所经历的世界。但是哪一个?

不幸的是,弦理论不能给我们一个答案,至少现在还不能。问题是弦理论还没有完成,我们只有各种各样的近似方法,我们希望能接近真实的东西,但现在我们不知道我们有多正确。所以我们没有数学技术来跟踪这个链,从特定的流形到特定的弦振动再到宇宙物理学。

弦理论家的反应被称为景观,由各种流形预测的所有可能宇宙的多重宇宙,我们的宇宙只是众多宇宙中的一个点。

这就是弦理论如今的地位,为后世的理论做努力。

作者: Paul Sutter

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超弦理论浅谈

仅就人类有限的智识来看,至少在科学的框架内,客观世界由物质构成,所以探寻物质最为基本的组成单位,便成为了人类追求真理的应有之意,于是古往今来无数哲学家和科学家穷尽智识,向科学的圣杯、世界的真相发起冲击。1803年,英国物理学家约翰-道尔顿,继承古希腊朴素原子论和牛顿微粒说,最早提出近现代的原子学说。1897年,约瑟夫-汤姆逊剖开原子,发现电子,1919年,卢瑟福发现质子,1932年,查德威克发现中子。再后来,各种夸克、轻子、玻色子等60余种基本粒子被相继提出,那么组成世界的材料果真如此复杂且多样吗?许多人还想更进一步,给这个世界一个更加简单的解释,并进而揭示支配整个宇宙的终极法则,于是超弦理论应运而生,欢迎收看大型 娱乐 节目回到2049《超弦理论》。

在介绍超弦理论之前,我们自然要首先认识一下当今主流的粒子观,主流观点认为,构成物质的最小零件也就是基本粒子,可以分为两大类,一类名为强子,参与强相互作用力,它的基本组成单位就是我们熟知的夸克,包括上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和奇异夸克。另一类名为轻子,参与弱相互作用力、电磁力和引力,目前基本粒子模型中一共存在6种轻子:电子、电子中微子、μ中微子、τ中微子、μ子和τ子,也就是说,构成物质的基本粒子,一共有12种。那么刚才说的60多种又是怎么来的呢?这个问题就比较复杂了,首先反物质理论认为,每一种基本粒子,都存在一个与之相对的“影子基本粒子”,这个影子便是所谓的反粒子,反粒子的质量等性质,与原有粒子没有任何区别,但它们的电性是相反的,比如说电子的反粒子就是正电子,正电子的质量与电子完全相同,但它带的却是正电荷,早在1932年,美国物理学家卡尔-安德森,便在云室中发现了正电子的踪迹。而当一个粒子与它的反粒子相撞的话,那么它们的质量就会全部转化为能量,以光子等形式释放出去,这一过程就被称为“湮灭”。已经证实,当宇宙射线与大气相撞,或是在发生雷电时,自然界中就会产生反粒子,但它们很快就会与空气相撞,发生湮灭消失得无影无踪。

不仅是电子,其他11种基本粒子,也存在对应的反粒子,比如反电子中微子、反μ中微子、反τ中微子、反μ子和反τ子,这样一来,12种基本粒子就扩充为24种。另外,夸克还有一个独特的性质,这就是所谓的“色荷”,研究这一性质的学科名为量子色动力学。这个色荷很抽象,并不是说夸克本身带有颜色,事实上,色荷的概念是从色光三原色引申过来的,所以夸克也有三个色荷:红、绿、蓝。到底什么是色荷,我们可以将其简单理解为“产生强力的根源”,也就是说,依靠色荷,夸克得以结合到一起,并最终形成质子或是中子。也和三原色结合起来变成白光一样,质子或是中子中的三个夸克,也都具有不同的色荷,所以质子与中子,具有色荷在整体上一定是白色的这一性质。好了把色荷加上去之后,夸克就变成了一个庞大的集团,你可以自己数一数,一共是36种夸克,比如说红上夸克、红下夸克、反红上夸克、反红下夸克等等等等,再加上12种轻子,基本粒子的数量嗷一下就扩充到48种。

还剩下10几种基本粒子就很简单了,它们不是构成物质的基本粒子,而是传递力的基本粒子,物理学上将其称为“规范玻色子”或是“规范传播子”,包括各种胶子、玻色子、光子和希格斯玻色子,说了你也不懂,当然我也不懂。反正到最后一统计,就是61种基本粒子,这就是如今主流的基本粒子模型。

可以说,在基本粒子模型下,世界已经可以得到很好的解释,首先是宏观世界最为常见的电磁力,像是我给我自己一个大嘴巴子,我给你一个大嘴巴子,科学精神给我一个大嘴巴子,这些行为都是电磁力在发挥作用,当然了这些还比较复杂,我们举一个简单的例子,这就是用手按开关。我们知道,原子的中心是带正电的原子核,而带负电的电子则围绕着原子核高速运转,由于整个原子是电中性的,所以如果手指和开关不接触的话,那么就不会发生任何事情。但是当手指充分靠近开关时,手指表面的电子和开关表面的电子之间,就会产生电的斥力作用,而当手指进一步靠近开关时,就会因为泡利不相容原理,也就是两个电子不能占据同一个位置,从而产生斥力,这种斥力被称为简并压力。最终电力与简并压力相结合,手指就会产生按下开关的力。而且同样是由于电力把原子紧紧地结合在一起,所以受到压力的原子并不会四处散开,而是把力不断地传播下去,然后,灯亮了。至于电子之间为什么会产生斥力,基本粒子物理学认为,电子总是在不断地吸收光子或是释放光子,当某个电子释放的光子,被其他电子吸收之后,电子之间就会产生斥力,也就是说,力来源于光子的动量从一个电子传递给另一个电子的过程之中,由此可见,传递电磁力的规范玻色子正是光子。

强力和弱力的套路也差不多,不过这哥俩只表现在原子核级别的微观世界中,先看强力,研究发现,构成原子核的质子与中子,都是由3个夸克结合而成,其中组成质子的是2个上夸克和1个下夸克,而组成中子的则是1个上夸克和2个下夸克,如果设电子所带的电量为-1,那么上夸克带的电量就是+2/3,下夸克的带电量为-1/3,所以质子对外表现1个正电荷,而中子则不带电。既然夸克带电,那么它们之间自然也有电力作用,但实验却发现,促使它们结合在一起的力的强度,却高达电力的100倍,这个力就是强力。进一步的,强力的传递是通过胶子实现的,也就是说,夸克之间是通过交换胶子从而结合在一起。再看弱力,弱力是中微子与物质相撞时产生的力,当然了一般情况下,由于中微子不带电而且极其微小,它可以不受原子电磁力的影响,从而轻松穿透任何物质,但是当中微子与电子或是夸克极其接近时,它们之间会通过交换W+玻色子、W-玻色子或是Z玻色子等弱玻色子,产生弱力从而相撞,与此同时,中微子也会转变为电子。

总之不论是电磁力还是强力、弱力,它们的产生都是基本粒子之间通过交换基本粒子而实现的,但要注意的是,以上我们说的只是一种非常表面,也非常感性的解读,具体研究这一学问的学科是量子电动力学,那就十分复杂了,说了你也不懂。三种力解决完之后,人类马上遇到了一个大难题,这就是引力。长久以来,引力都是广义相对论的地盘,与量子论没有什么关系,爱因斯坦认为,引力诞生于时空的弯曲。如此一来,这个世界就有了两套完全不同的解释模型,量子论研究基本粒子等微观物质的运动,而广义相对论则研究空间、时间和引力。打个比方就是,量子论为自然界的演员提供了基本法,而相对论则为演员的舞台制定基本法,两大支柱共同撑起了现代物理学的大厦。

但物理学家们并不满足于存在两套基本理论的现状,他们前仆后继,试图创建一个统一量子论和广义相对论的终极理论,这就是量子引力论,试图把引力也纳入量子论的势力范围,也就是说,引力也可以套用以上模型,利用基本粒子的交换来进行解释。为此,物理学家还假想出了传递引力的基本粒子——引力子,引力子与光子相同,质量为零,同时也以自然界最大速度——光速行进。但问题是,一方面,引力子迟迟不肯现身,另一方面,基本粒子物理学认为,基本粒子是没有大小的点,如果存在引力子,自然也是如此。问题恰恰就出在这里,我们知道,引力的大小与距离的平方成反比,那么如果用引力子的交换,来计算作用于基本粒子之间的引力的话,当两个粒子之间的距离为0时,力就会变成无穷大,事实上,这不仅是引力独有的问题,其他三种力也会出现这个问题,但物理学家发明了一种计算方法,名为“重整化”,利用重整化,可以很好地处理电磁力、强力和弱力的无穷大,得出与实验结果相符的答案,但引力却不适用,为什么,咱也搞不懂。总之物理学家所面对的就是,要么接受两套独立的描述世界的标准,要么就得抛弃基本粒子没有大小的固有观念,最终在量子引力论的巨大诱惑之下,一部分物理学家选择了第二条路——基本粒子有大小,而它的表现形式就是弦,弦理论由此诞生,而将超对称理论与弦理论相结合,就是今天的主角——超弦理论。

简单来说,超弦理论认为,所有的基本粒子,事实上都由同一种弦构成,这个弦与弦乐器的弦非常相似,在弦乐器中,通过改变弦的振动方式,就可以使同一根弦发出不同的音调,同样的,超弦理论认为,基本粒子的性质差异,其实也是因为弦的振动模式不同而产生的。理论认为,弦的振动速度非常之快,其端点的速度就是光速,每秒的振动次数,更是高达10的42次方左右,基本上也是超出了人类的认知范围。当然了相比乐器的弦,超弦理论的弦要更加抽象,它是一种一维的存在,有长短,但却不存在粗细,也就是说,弦的横断面是大小为0的点。除了振动模式千差万别之外,弦也十分多变,它可以是有两个端点的“开弦”,也可以是一个圆环形状的“闭弦”,同时,一根弦可以分裂为两根,两根弦也可以结合为一根,反正就是你想怎么玩就怎么玩。弦还可以伸缩,所以它有点像是橡皮筋,不过如果把拉伸弦的张力,换算成质量的话,大约有10的40次方吨那么重,用专业的话说就是,弦具有极为巨大的张力,而且与日常生活中的橡皮筋不同的是,弦即使被拉长了,拉力也不会发生变化。至于弦有多长,理论认为,弦的长度超乎想象的极其微小,大约是10的-35次方米,也就是原子核的1000万亿分之一,普朗克长度的6倍左右。正因为如此,目前任何显微镜都是无法观测到弦的,也根本不可能通过实验来验证其真实大小,有很多物理学家对此抱悲观态度,认为在未来,也不可能做到这一点。所以至少在可预见的未来,超弦理论恐怕并不符合所谓的科学精神,它只能是一种解释世界的理想模型,真假尚未可知。

那么利用超弦理论来解释世界,真的就要比过去更加简单么?或许未必。因为研究发现,超弦理论需要某种特殊条件才能成立,这个条件就是:我们生活的世界是9维空间。所谓的9维空间,就是指可以让9条直线相互正交的空间,像是我们生活的空间,只能让3条直线相互正交,所以咱们就生活在三维空间。既然如此,我们就很难想象9维空间的真实样子,只能通过数学方法对其进行抽象的处理,比如说一个立方体,在三维空间中它的体积是边长的立方,那么一个9维立方体的体积,就是边长的9次方。同样的,与三维空间相比,弦在9维空间也有更多的振动方向,所以振动模式也会相应增多。但问题是,现实世界明摆着是一个三维空间,超弦理论却认为世界是9维空间,那么这个矛盾又该如何解决呢?我跟你讲我马上编不下去了,为了让超弦理论能活下去,物理学家们提出了一个大胆的想法,他们认为,超出三维的剩余6维,卷曲到极小隐藏了起来,变成了额外维度。

怎么理解?现在我们设想这样一个场景,从远处看一根细长的棍子,在我们眼中,它已经变成了一条没有粗细的线,也就是只有长度的1维物体,但是对于棍子上的蚂蚁来说,棍子的表面却是一个二维世界,因为它不仅可以沿着棍子的长度方向移动,也可以沿着与长度正交的圆周方向移动。所以对从远处看棍子的人来说,棍子在圆周方向上的这一维度,就是卷曲着隐藏了起来。所谓的卷曲,也被称为闭合,指的就是像棍子表面的圆周方向那样,行进到一定距离后会回到原点。超弦理论所主张的额外维度也是如此,只要把空间中的某一点充分放大,6个额外维度就会大白于天下,也就是说,高维空间其实黏附在空间的每一个点上,它并不神秘,也不是遥不可及,它就在我们的眼前,但你就是看不到。目前,物理学家还不清楚卷曲维度的尺寸,但有研究认为,应该与弦的长度大致相同,约为10的-35次方米,所以既然弦都观测不到,看到卷曲的维度也是遥遥无期。

以上就是弦的基本情况,要点就是三个,又短又快,不同振动模式表现为不同的基本粒子,最后一点就是,弦存在于9维空间之中,其中有6个维度卷曲起来看不到了。到此为止,超弦理论算是可以勉强地对物质进行解释,但世界显然不仅仅有物质,更重要的还有力,只有同时具有解释物质和力的能力,超弦理论才有可能成为万有理论,现在我们就看看超弦理论是怎么解释力的。超弦理论认为,所有基本粒子都是由弦构成的,所以传递力的基本粒子,不论是传递电磁力的光子,还是传递强力的胶子,抑或是传递弱力的弱玻色子,其本质也都是弦。比如
文章标题: 在弦论中,额外的六个维度是如何被紧致化的
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文章标签:维度  额外  弦论中  被紧致化
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