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萬物理論到底是干嘛的?。繛槭裁次锢韺W(xué)家們找它找得這么痛苦? | 周末之選

 汐鈺文藝范 2018-04-21

本文由公眾號(hào) “把科學(xué)帶回家” 提供
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萬物理論到底是個(gè)什么東西,為什么那么多物理學(xué)家都在找它?

弦論又是什么,為什么大家說它可能是萬物理論呢?

如果弦論這么厲害,為什么還沒有打敗愛因斯坦的相對(duì)論呢?

今天我們來了解一下。


為了解釋世界上的萬事萬物,人類創(chuàng)造出了各種各樣的理論。通過和事實(shí)進(jìn)行比對(duì),我們會(huì)排除那些不靠譜的理論,保留那些能解釋更多現(xiàn)象的理論。


這個(gè)思路聽起來不錯(cuò),但是,這個(gè)世界奇怪的一點(diǎn)就在于,當(dāng)你懂得越多的時(shí)候,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)事情遠(yuǎn)比你之前想象的更復(fù)雜。


為了解釋更加復(fù)雜的真相(或者說我們對(duì)世界更加復(fù)雜的認(rèn)識(shí)),就出現(xiàn)了許多反直覺、反常識(shí)的理論。


弦論就是其中之一。


簡(jiǎn)單地講,弦論是一種粒子理論。


什么是粒子理論呢?



就比如目前的教科書教我們,物體是由粒子構(gòu)成的。比如你是由細(xì)胞構(gòu)成的,細(xì)胞是由蛋白質(zhì)啊無機(jī)分子啊等分子構(gòu)成的。


分子呢又是由原子構(gòu)成的。



在人類的歷史上,我們一度以為原子就是世界的終極基本結(jié)構(gòu)。但是后來相互碰撞的原子又曝光了一些更小的物質(zhì)。所以后來人們開始意識(shí)到,原子還可以分割成電子、膠子等基本粒子


然后就開始出問題了。


原子內(nèi)的基本粒子太太太小了,我們沒辦法按照正常的思路觀察。


什么叫正常的思路?就是用光啊。



比如你觀察一只鴨子的時(shí)候,是光先打到鴨頭鴨屁股上,獲得了鴨子的一部分信息,然后再彈到你的眼睛里,把信息傳遞給你,使你看到鴨子。



換句話說,所謂的“看見”實(shí)際上是光和觀察對(duì)象的一種互動(dòng)。當(dāng)觀察對(duì)象很大的時(shí)候,光對(duì)它就沒什么影響,可是如果觀察對(duì)象很小呢?比如,比光還小呢?


我們知道,光是一種電磁波,如果觀察對(duì)象太小了,比電磁波的波長(zhǎng)還小,那么它就有可能打不到對(duì)方。



如果把光的波長(zhǎng)變小似乎可以解決這個(gè)問題。但是,波長(zhǎng)變小的電磁波的能量會(huì)變大,這樣高能的電磁波打一下微小的粒子,粒子就可能被彈飛。


因?yàn)檫@個(gè)原因,我們沒有辦法準(zhǔn)確地測(cè)量基本粒子,這就是海森堡不確定性原理,量子物理學(xué)的基本框架。


所以目前我們“看到”的基本粒子實(shí)際上是一團(tuán)模糊不清的云霧,我們只知道基本粒子就藏在這些“云霧”里。



那么,如果我們無法精確測(cè)量基本粒子,那又怎么知道它們長(zhǎng)什么樣、有什么性質(zhì)呢?


這就是點(diǎn)粒子模型要腦補(bǔ)的問題了。物理學(xué)家們假設(shè)這些基本粒子是一個(gè)點(diǎn),比如把電子想像成帶電荷有質(zhì)量的一個(gè)點(diǎn),然后再建立數(shù)學(xué)模型描述它們的活動(dòng)。



這就是量子場(chǎng)論在干的事。這個(gè)理論能解釋許多物理現(xiàn)象,用它來解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度非常高。有多高呢?


高到0.0000000000002%。


由于量子場(chǎng)論對(duì)現(xiàn)象的解釋性非常強(qiáng),即使基本粒子不是一個(gè)點(diǎn),量子場(chǎng)論構(gòu)造的世界也非常接近真實(shí)了。所以目前物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型就是建立在量子場(chǎng)論之上的,許多科技也是基于標(biāo)準(zhǔn)模型,比如磁懸浮列車還有強(qiáng)子治療。



聽起來不錯(cuò)啊,那我們就全盤接受標(biāo)準(zhǔn)模型吧!


且慢!


聽說過愛因斯坦嗎?愛因斯坦有話說。


在量子力學(xué)里,所有的力,包括重力都是基本粒子產(chǎn)生的。但是愛因斯坦的廣義相對(duì)論說,重力和別的妖艷的力不一樣,它不是粒子產(chǎn)生的,它就像粒子表演的舞臺(tái),而且本質(zhì)上是一種幾何啦!


所以物理學(xué)目前因?yàn)橹亓Φ膯栴}產(chǎn)生了分裂。如果能解決這個(gè)問題,我們就有了能夠解釋萬物的理論——萬物理論,一統(tǒng)物理的天下了!


這就是弦論誕生的原因。


搞弦論的人說,基本粒子不一定是一個(gè)點(diǎn)哦,有可能是一條條弦變哦!



弦論說各種基本粒子其實(shí)就是弦的各種不同振蕩模式啦。就好像小提琴弦的不同振動(dòng)可以產(chǎn)生不同的音調(diào)一樣,弦的振動(dòng)可以產(chǎn)生基本粒子。


然后這個(gè)弦論也可以解釋重力和宇宙中所有的基本作用力。


聽起來太刺激了,那我們就接受弦論吧!


橋豆麻袋!


弦論的確很美好,好像就是傳說中的那個(gè)萬物理論,可是它有個(gè)致命的弱點(diǎn),那就是——


弦論需要10維的世界才有用,但是我們的世界只有三維空間加上時(shí)間一共四個(gè)維度,所以目前弦論還是沒法應(yīng)用到我們所在的世界里。


所以為什么弦論還沒有被封殺?


是這樣的,雖然從物理上看弦論沒有辦法解釋我們所在的四維世界,但是它用到的數(shù)學(xué)推導(dǎo)是貨真價(jià)實(shí)的。


用弦論里的數(shù)學(xué)可以解決很多問題,所以弦論還是很有用的,就和點(diǎn)粒子模型一樣有用。


物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家們也正在積極地修正弦論,讓它能夠應(yīng)用到我們所在的世界。革命尚未成功。


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