弦理論歷史

釋迦牟尼佛說的”念“ 是不是就是 “弦“

Marktowin 發表於: 2005-5-16 11:57 來源: Y2財富博客
【有關准終極理論】＝＝弦理論＝＝ 來源：BBS.TONGJI.NET 　

一，由古老數學而來，走向終極未來——弦理論歷史

有關弦理論（或是超弦理論），最早是20世紀六十年代被人們發現的。當時人們正在研究有關“強力”（自然界四種基本力中最強的力，將誇克組成質子和中子，將質子與中子束縛成原子核的力）的信使粒子（傳導力的粒子）——“膠子”時偶然發現一個兩百多年前的數學公式——歐拉B函數可以很好地解決，後科學家們將數學公式帶入物理學的概念，發現了其公式可以解釋為“弦”（就是線或線圈），通過弦的振動，表現出了膠子的性質。由此，弦理論誕生了。


但是，用弦理論來解釋強力當時應為某種原因繼續下去變得十分困難，同時七十年代初，因為加速器的進步，人類對於亞原子結構的探索又更深了一層，“量子色動力學”產生了，它在量子場論的框架下很好的解決了有關強力的問題。弦理論被暫時擱置了。


但是後來，八十年代的格林和施瓦茨（外國人）通過持續的研究終於發現弦理論其實不單單能夠解釋強力，其理論甚至有能力容納全部自然界的四種基本力（強力，弱力，電磁力和引力），不但如此，它甚至能縫合量子力學與廣義相對論——同被人們在微觀和宏觀尺度上奉為經典理論的巨大鴻溝——加之95年興起的第二次超弦革命（發現超對偶性，彌補了近似性計算為弦理論所造成的局限）使得弦理論最有望成為一個統一的，包含萬有的理論（Theory Of Everthing ）！


二，喧鬧與平靜——兩大理論之百慕大三角

愛因斯坦的相對論為我們帶來的不僅僅是質能轉化公式（能量等於質量乘以光速的平方），更重要的是，它革新了我們原有的時空觀——自古以來，我們都認為這個宇宙只是我們人生的大舞台，它從遠古就有，直到未來也不會有所改變——然則，相對論告訴我們，時空與其中所包容的物質都是相互聯系相互影響的：物質的質量會對周圍的空間產生作用，使之彎曲（如同在床上放一只保齡球，床會塌陷）；而空間的彎曲則會對物質的運動產生影響（床塌陷了，原本放在其上的小彈珠就會朝著塌陷滾動）。舉個戲虐的例子，以前總是說少了你地球還照樣轉，而按照相對論的觀點，少了你的話空間就會受影響，則地球肯定會受影響的，轉雖然還是轉，但是運動絕對會有所改變。


量子力學則在微觀的尺度上為我們揭示了，其主要核心就是海德堡不確定原理，即對於一個微觀粒子，我們不可能既明確的知道它的位置並且也知道它的運動狀態，我們只能用概率來說明它的情況。事實上，量子力學認為物質都是波，物質波長公式表達為波長等於普朗克常數除以物體的動量。因為普朗克常數很小，所以它只能在微觀粒子領域才得以被考察，我們才能夠直接觀測到光子的波動性而看不到人的波動性（假如普朗克常數很大，人的波動性也表現為幾率問題，即你可以突然出現在食堂，也可能突然出現在教室，我們要找你的話只能說你出現在教室的可能性比較大。。。）


量子力學的一個推導結果表明，我們考察的距離越小，時間越短，空間將變得越瘋狂，能量和動量也變得不確定起來，能量可以不斷被借出來生成動量，形成一對對正反粒子對；而它們又迅速湮滅，還原成能量，由此，宇宙在微觀尺度上變成一個瘋狂的世界。


相對論與量子力學的分野由此產生，相對論的基礎是認為空間的基本力學背景是平滑無雜波的，也就是在沒有任何力出現的情況下，整個空間是完全水平的，沒有任何突起或凹陷，而力的作用就是在這個空間內產生凹陷(引力)或突起(斥力)。量子力學認為在微觀尺度下（具體來說就是普朗克長度，小數點後33個零釐米）整個背景空間就變得充滿了隨機漲落，也就是說相對論力學所要求的平滑空間事實上並不存在。於是若是要考察如黑洞的奇點一般的微觀尺度下的大質量物體的話，我們似乎就走入了一個令人迷惘困惑的百慕大了。。。


然而，由八十年代的探索，我們知道了通過弦理論，似乎可以將自然界的四種力統一在一起，包括在微觀尺度下產生作用的強力弱力電磁力，更重要的是包含進了雖然力本身很小，但是作用距離最大的，統治整個宇宙的引力。量子物理與相對論最集中的交點就是引力——表現為對時空是否平滑的不同理解——而引力正是由時空彎曲所產生的力。



三，萬物的交響——弦的世界

傳統觀念認為，構成我們及世間萬物的最基本的物質是原子。而現代粒子物理學告訴我們，原子也有它的更深一層的結構，它由原子核及包圍著並繞它旋轉的電子所組成。然而原子核也是可分的，它是由質子與中子所構成，並且質子與中子也有它們的微觀結構，它們是由更小的誇克（構成質子或中子的誇克有兩種，分別叫做上誇克與下誇克。。）通過強力的束縛所組成的。由此，自然界的已知基本粒子一共有四種——電子，中微子（只服從弱力作用的粒子，幾乎無質量），上誇克與下誇克。通過更進步的加速器實驗表明，還存在與之一一相對的另外兩族基本粒子，它們是——μ子，μ子中微子，粲誇克，奇異誇克；τ子，τ子中微子，頂誇克，底誇克。以上三族12種粒子再加上力的信使粒子——膠子（強力），弱規範玻色子（弱力），光子（電磁力），引力子（引力）一起成為了傳統物理學上的物質的本源與各種力場的基本。


但是按弦理論的觀點，“萬物”都是由一根根不斷震動著的小線圈——“弦”所組成的。上面所述的各種“基本”粒子無論在質量上力荷上有著千差萬別，但“弦” 在本質上是毫無差別的！——只是因為振動的方式有所不同從而表現出不同的性質。由此，世界的本源由零維的點變成了一維的弦——弦就是弦，沒有比它更微觀的結構了，由它構成宇宙所有的一切——它便是我們可以考察的最小結構。我們之前所接觸到的當代物理學上有關相對論與量子力學的衝突可以用弦理論來做很好的解釋。以前，我們想像的所有物質的粒子和力的粒子都是點狀的東西，沒有或不考慮其的空間大小，所以，我們也總覺得要在任意小的尺度上考慮宇宙的性質。而在越走越窄的過程中，我們似乎走進了不可逾越的問題堆裡。其原因是，我們還未掌握游戲規則，弦理論的規則告訴我們，我們在宇宙中將走進一個距離的終點——那實際上是說，我們傳統的距離概念在超微觀的宇宙中並不是無限適用的——而那個距離，便是弦的長度。（最新的弦理論“M理論”趨向認為最基本的結構不僅包括一維的弦，還有二維的膜，三維的液滴乃至更高維的一些東西，但現在我們在這裡可以不予考慮）


那麼，本節開頭所說的那些點粒子又是什麼呢？所謂的“弦”與其又有什麼聯系呢？要說明這個問題，得先考察一下我們所活躍的舞台——時空的特征和本質。


四，“果殼中的宇宙”——蜷縮的高維

第一節講了弦理論因為是在解釋強力的因子——膠子的性質時登上歷史舞台的，但為何又迅速沒落下去直到八十年代才又重新崛起的呢？那是因為那時的弦理論有一些缺陷，導致理論數值與後來的觀測數值不符，加之量子色動力學（在量子力學框架下構建起來的強力理論）的建立所造成的。但是經過後人的總結研究，發現了原來問題的症結所在，那便是弦理論要我們變得更加的開放，要求我們拓展“弦”所施展才藝的舞台——也就是要我們拓展空間的維數。


在經過數學的推導證明後所得出的結論是：我們所生活的這個宇宙其實是一個10維的時空（最新的M理論認為是包含超引力的11維的時空），它是由三個延展的維——長寬高，加上六個蜷縮維——卷曲成“卡拉比-丘成桐流形”（也可以叫卡-丘空間）然後再加上一個時間維所構成的。我們人平常只能感知到空間的三個維度，其余六維高度蜷縮，長度只有普朗克級別（10的負33次方釐米）——長度太小，現階段我們一般認為無法用任何辦法來考察（M理論認為可以通過測量重弦來探測，但那也是2010年超級加速器制造完成以後的事了）；然而，我們前面所說的構成萬物的“弦”卻可以在所有的空間維度內振動，但是會受到六維空間（卡-丘空間，下同）的限制，具體來說的話就是卡-丘空間存在有空洞，空洞的大小和數量決定著弦的振動方式。


那麼我們在三節遺留下的問題就可以在這裡來做個解釋，那就是，弦在卡-丘空間內的不同的振動方式通過弦理論的公式可以轉化為粒子物理裡面的各種基本粒子的性質。也就是說，之所以會有三族12種基本物質粒子與4種基本力的攜帶粒子的區別就是在於相同的弦在卡-丘空間內的不同的振動狀態所導致的——不僅如此，通過對於卡-丘空間形狀的考察，在通過其對弦振動的影響，弦理論還能說明為什麼那些基本粒子所表現出來的性質是這樣的而不是那樣的（質量的大小，力荷的強弱）——而這在粒子物理的框架下是無法說明的。