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隨著《流浪地球》的熱度越來越高，人們對于宇宙的興趣也越發(fā)的濃厚了起來?！队钪娴那傧摇纷髡卟假嚩鳌じ窳质鞘澜珥敿獾奈锢韺W(xué)家，牛津大學(xué)物理學(xué)博士，哥倫比亞大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授。

本書講述了弦理論產(chǎn)生的背景、基本思想和觀點，介紹了弦理論對物理學(xué)的影響，使我們對物理學(xué)這一前沿理論有了一個全方位的認(rèn)識。

為什么需要弦理論

廣義相對論和量子力學(xué)已經(jīng)被無數(shù)的實驗和事實所驗證，它們都是正確的，一個能夠解釋宏觀世界，一個解釋微觀粒子。但是在某些特殊場景中，比如在黑洞的中心、大爆炸時刻的宇宙，物質(zhì)質(zhì)量大而尺度小，這時我們既需要廣義相對論，也需要量子力學(xué)。

然而，當(dāng)兩個理論的方程結(jié)合起來時，好好的物理問題卻得不出有意義的答案。也就是說，此時二者發(fā)生了矛盾。

為了消除矛盾，讓廣義相對論和量子力學(xué)兩個理論協(xié)調(diào)起來，物理學(xué)家絞盡腦汁，做了無數(shù)的努力。雖然每次努力都很大膽，都有創(chuàng)新，但仍然沒有解決這個問題。

直到弦理論的出現(xiàn)才基本解決了這個矛盾。

弦理論到底說了些什么

弦理論認(rèn)為，如果把電子和夸克等基本粒子放大，會發(fā)現(xiàn)它們是由一個個小環(huán)構(gòu)成的，每個環(huán)都像是無限細的一維橡皮筋，在不停的振動。

物理學(xué)家把這些振動的“橡皮筋”叫做弦。弦的不同振動模式，形成了不同的基本粒子。弦理論提出了許多顛覆我們通常認(rèn)知的觀點。

比如弦理論認(rèn)為，宇宙的空間結(jié)構(gòu)是11維的。為什么是11維呢？它是物理學(xué)家從弦理論的基本構(gòu)想出發(fā)，經(jīng)過科學(xué)計算得出來的。只有11維的空間，才能容納所有物理學(xué)定律，才能使它們不產(chǎn)生矛盾。

在十個空間維中，有三個維度是展開的，也就是我們所感受到的三維世界，而其余的七個維度是蜷縮起來的。由于這些蜷縮的維度尺度太小，目前用最精密的儀器也無法觀測到，所以我們感覺不到它們的存在。

又比如，弦理論認(rèn)為黑洞和基本粒子本質(zhì)上是一樣的。此前，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，任何兩個黑洞，如果有相同的質(zhì)量、力荷和自轉(zhuǎn)，它們就是完全相同的，這跟基本粒子的性質(zhì)是一樣的。

力荷是粒子對力的作用所產(chǎn)生的反應(yīng)。我們平常說的電荷就是一種力荷，它是一個粒子對電磁力的反應(yīng)。

物理學(xué)家從弦理論出發(fā)，經(jīng)過極其復(fù)雜的計算，發(fā)現(xiàn)在某種情況下，大質(zhì)量的黑洞能夠轉(zhuǎn)化為一個沒有質(zhì)量的粒子，在弦理論中，那就是一根以某種特殊方式振動的弦。

這樣，弦理論在黑洞和基本粒子之間建立了直接的聯(lián)系。黑洞和基本粒子就像水和冰一樣，是同一種東西，只不過是兩種不同的表現(xiàn)形式。

弦理論有什么用呢

弦理論解決了量子力學(xué)和廣義相對論的沖突，讓我們離物理學(xué)的“終極理論”更近了一步。全世界的物理學(xué)家一直夢想建立一個理論，能夠解釋一切自然現(xiàn)象，它的一個基本要求，就是能夠統(tǒng)一宇宙中的四種自然力，即引力、電磁力、強力和弱力。

這個理論就是統(tǒng)一場理論，也叫物理學(xué)的“終極理論”。量子力學(xué)統(tǒng)一了引力之外的其他三種力，但無法將引力納入其中。弦理論在解決了廣義相對論和量子力學(xué)矛盾的同時，實際上將引力納入了弦理論的框架，因此在建立統(tǒng)一場理論的道路上邁出了重要的一步。

弦理論讓我們找到了宇宙大爆炸的起點。宇宙大爆炸理論得到了大多數(shù)物理學(xué)家的認(rèn)同，但物理學(xué)家們卻無法描述大爆炸起點是怎樣一個圖景。

如果讓時間倒流，時間越接近大爆炸的起點，宇宙的密度越大，溫度越高。在零時刻那一點，密度和溫度都達到無窮大，這個結(jié)果是不能接受的。

而弦理論認(rèn)為，在大爆炸的起點，宇宙不是無限小，而是在各個維度都有普朗克尺度，你可以把它想象成一個非常小的火球。

這時宇宙的各個維度都蜷縮著，隨著大爆炸的開始，三個空間維度生長出來，其余的維度還是保持普朗克尺度。三個展開的維度不斷演化、膨脹，形成了我們現(xiàn)在看到的宇宙。

弦理論讓人類穿越時空的夢想可能成為現(xiàn)實?；艚鹪岢龃嬖谄叫杏钪妫灿形锢韺W(xué)家認(rèn)為黑洞是新宇宙的種子，新宇宙可以從黑洞中噴發(fā)出來。

平行宇宙就像飄浮在空氣中的一群肥皂泡，我們的宇宙只是無數(shù)肥皂泡中普普通通的一個，通常這些肥皂泡是分離的，但是，連接這些平行宇宙的蟲洞可能是存在的。通過蟲洞，人類就有可能在不同的“肥皂泡”間穿行，也就是實現(xiàn)時空穿越。

在不久的未來，我們是不是能夠穿越時空呢？讓我們拭目以待吧。

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