十維空間理論矛盾

時間：2023-07-04 00:21:01 | 來源：營銷百科

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十維空間理論矛盾：四種基本作用力的不同還導(dǎo)致了現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱——相對論和量子理論——根深蒂固的矛盾。

愛因斯坦的廣義相對論是關(guān)于引力的理論。我們前面說過，引力源于物體質(zhì)量的相互吸引，物體的質(zhì)量越大，引力越大。但為什么物體的質(zhì)量會產(chǎn)生引力呢？引力為什么很微弱卻又能在宏觀范圍內(nèi)起作用呢？比如說，兩個人、兩塊大石頭之間的引力幾乎就是零，只有像太陽、地球、月亮這樣宇宙中的星體，才有明顯的引力作用。

愛因斯坦把這個疑惑給解開了，他給出了一個出人意料卻又合乎情理的解答：空間本身是有形狀的，當(dāng)沒有任何物質(zhì)或能量存在時，空間應(yīng)該是平直光滑的，當(dāng)一個大質(zhì)量物體進(jìn)入空間后，平直的空間就發(fā)生了彎曲凹陷，這就像一條拉得很平很直的床單上，當(dāng)放進(jìn)一個保齡球時，床單就凹陷下去，所謂引力就是因為這樣的空間彎曲而導(dǎo)致的。地球在繞著太陽的軌道上運行，是因為地球滾入了太陽周邊彎曲空間的一道'溝谷'，這就是我們通常所說的太陽對地球的引力作用。兩個人、兩塊大石頭之間的引力幾乎不存在的原因就是，這么小的質(zhì)量使空間的彎曲幾乎為零。因此，普通物體之間的引力作用是可以忽略不計的。

在這里，引力變成了漂亮的幾何圖景，引力本身并不存在，它只是空間的幾何形變所引起的明顯結(jié)果。引力的本質(zhì)就這樣被廣義相對論圓滿地解釋了。

但空間的幾何形變卻解釋不了其它三種力，電磁力、強(qiáng)力和弱力似乎都無法通過空間的褶皺來實現(xiàn)。愛因斯坦曾設(shè)想，所有的物質(zhì)都是空間扭結(jié)和振動而形成，換句話說，我們看到的周圍的一切，從樹和云到天上的星星，都可能是一個幻覺，是某種形式的空間褶皺。若這種思想是正確的，另外三種力也必定與引力一樣，是空間的幾何形變所引起的必然結(jié)果，這樣，四種力就統(tǒng)一到空間彎曲的幾何學(xué)中了，空間彎曲的不同方式會造就不同的力。然而，在微觀世界里，空間根本就不是平滑的，而是有無數(shù)的粒子在劇烈且永不停息地喧囂，廣義相對論的核心原理——光滑的空間幾何概念，在這里被破壞殆盡。

對另外三種力的解釋需要量子理論來完成。量子理論研究微觀世界里基本粒子的行為，在這個理論體系中，宇宙中所有的物質(zhì)最終由數(shù)百種不同的基本粒子組成，由于質(zhì)量小到幾近于零，這些粒子的運動軌跡變化莫測，毫無規(guī)律可循。在這里，力是由粒子的交換而來的，電磁力是由光子交換而來，弱力是由弱規(guī)范玻色子交換而來，強(qiáng)力是由膠子交換而來。例如，兩個帶電粒子間的相互作用實際上是光子在兩個粒子間往來'出沒'的結(jié)果，兩個帶電粒子通過交換小小的光子而相互影響，這個過程有點兒像兩個溜冰的人在傳球，通過傳球，兩個人的運動狀態(tài)都在受到影響。其它兩種力的相互作用也是如此。

但是，因空間彎曲所導(dǎo)致的引力是無法通過粒子交換而來的，而且，在微觀世界里，粒子的自身質(zhì)量不僅小到幾乎沒有，還總是在雜亂無章地運動，它們之間的引力從何談起？因此，量子理論無法涵蓋引力。

廣義相對論與量子理論不能統(tǒng)一，成為現(xiàn)代物理學(xué)最核心的災(zāi)難。人們很難相信，在宇宙的微觀層面和宏觀層面，居然不是一個統(tǒng)一連貫的整體，我們對宇宙最深處的認(rèn)識居然是由兩個分裂的理論拼接起來的。為了能讓兩個理論協(xié)調(diào)起來，物理學(xué)家做過大量的嘗試，他們以這樣那樣的方法，要么修正廣義相對論，要么修正量子理論。雖然一次次的努力都膽識驚人，但結(jié)果卻一個跟著一個失敗。

終于，超弦理論來了。

粒子怎樣變成弦

一連串的疑惑不得不使科學(xué)家認(rèn)真考慮：也許在基本粒子內(nèi)部存在一種更深層的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)尚未被我們所理解。自20世紀(jì)60年代以來，在科學(xué)家孜孜不倦地努力下，一個新的理論逐漸浮出水面，這就是超弦理論。超弦理論認(rèn)為，在每一個基本粒子內(nèi)部，都有一根細(xì)細(xì)的線在振動，就像小提琴琴弦的振動一樣，因此這根細(xì)細(xì)的線就被科學(xué)家形象地稱為'弦'。

撥動吉他一根弦，你會聽到一個音。撥動另一根弦，你會聽到另一個不同的音調(diào)，因為不同的弦振動的模式不同。一個音樂家通過一個吉他的六弦合奏，使這些弦在不同頻率振動，便可創(chuàng)造出無數(shù)美妙的音樂。像琴弦的不同振動模式彈出不同的樂音那樣，粒子內(nèi)部的弦也有不同的振動模式，只不過這種弦的振動不是產(chǎn)生什么音樂，而是產(chǎn)生一個個粒子。不同粒子的性質(zhì)由弦的不同振動行為來決定，電子是以某種方式振動的弦，上夸克又是以另一種方式振動的弦，如此等等。

弦與粒子質(zhì)量的關(guān)聯(lián)是很容易理解的。弦的振動越劇烈，粒子的能量就越大；振動越輕柔，粒子的能量就越小。這也是我們熟悉的現(xiàn)象：當(dāng)我們用力撥動琴弦時，振動會很劇烈；輕輕撥動它時，振動會很輕柔。而依據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能原理，能量和質(zhì)量像一枚硬幣的兩面，是同一事物的不同表現(xiàn)：大能量意味著大質(zhì)量，小能量意味著小質(zhì)量。因此，振動較劇烈的粒子質(zhì)量較大，反之，振動較輕柔的粒子則質(zhì)量較小。

依照弦理論，每種基本粒子所表現(xiàn)的性質(zhì)都源自它內(nèi)部弦的不同的振動模式。每個基本粒子都由一根弦組成，而所有的弦都是絕對相同的。不同的基本粒子實際上是在相同的弦上彈奏著不同的'音調(diào)'。由無數(shù)這樣振動著的弦組成的宇宙，就像一支偉大的交響曲。

在量子理論中，每一個粒子還具有波的特性，這就是波粒二象性。我們明白了，粒子的波動性就是由弦的振動產(chǎn)生的。

以前，我們想象所有的物質(zhì)粒子都是點狀的東西，沒有空間大小,但我們明白了，那一個個點粒子其實并不是一個個實體的點，而是包含有一片片更微小的空間結(jié)構(gòu)，這樣的空間結(jié)構(gòu)的振動乍看起來像是一個個點，是因為我們還沒有更精微的探測技術(shù)。

物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，。同樣的關(guān)聯(lián)也存于弦振動模式與其它力的性質(zhì)之間，一根弦所攜帶的電磁力、弱力和強(qiáng)力也完全由它的振動模式?jīng)Q定。

弦如何運動

弦本身很簡單，只是一根極微小的線，弦可以閉合成圈（閉弦），也可以打開像頭發(fā)（開弦）。一根弦還能分解成更細(xì)小的弦，也能與別的弦碰撞構(gòu)成更長的弦。例如，一根開弦可以分裂成兩根小的開弦；也可以形成一根開弦和一根閉弦；一根閉弦可以分裂成兩個小的閉弦；兩根弦碰撞可以產(chǎn)生兩個新的弦。

但是當(dāng)一根弦在時空中移動時，它就沒那么簡單了。弦的運動是如此的復(fù)雜，以至于三維空間已經(jīng)無法容納它的運動軌跡，必須有高達(dá)十維的空間才能滿足它的運動（十維空間是數(shù)學(xué)方程計算的結(jié)果）。就像人的運動復(fù)雜到無法在二維平面中完成，而必須在三維空間中完成一樣。

點粒子內(nèi)部的空間不是三維的，可能還有很多維，這似乎非常不可思議，不過，認(rèn)真想起來，高維空間的存在完全是合理的。為了看清這一點，我們可以舉一個水管的例子。我們知道，水管的表面是二維的，但是當(dāng)我們從遠(yuǎn)處看它時，它卻像是一維的直線。這是為什么呢？原來，水管的那兩維很不一樣，沿著管子伸展方向的一維很長，容易看到；而容易繞著管子的那一個圓圈維很短，'卷縮起來了'，不容易發(fā)現(xiàn)。你必須走近水管，才能看清繞著圓圈的那一維。

這個例子表明了空間維度的一個微妙而又重要的特征：空間維有兩種。它可能很大延伸得很遠(yuǎn)，能直接顯露出來；它也可能很小，卷縮了，很難看出來。水管比較粗大，繞著管子的那一維很容易就看到。

在最微小的尺度上，科學(xué)家也已證明，我們宇宙的空間結(jié)構(gòu)既有延展的維，也有卷縮的維。就是說，我們的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的維 ——我們尋常經(jīng)歷的三維，也有像水管在橫向上的圓圈那樣的卷縮的維——這些多余的維緊緊卷縮在一個微小的空間，即使用我們最精密的儀器也根本不能探測它們。

那些看不見的維可能會有多小呢？我們最先進(jìn)的儀器能探測到百億億分之一米的結(jié)構(gòu)，如果那些維度卷縮得比這個尺度還小，我們就看不見了。科學(xué)家的計算表明，卷縮的維可能小到普朗克長度（即10^-33厘米），是實驗遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能達(dá)到的。