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弦理论有望统一相对论和量子力学,成为大统一理论

弦理论有望统一相对论和量子力学,成为大统一理论

弦理论有望统一相对论和量子力学,成为大统一理论

广义相对论和量子力学采用不同的方式来洞悉宇宙是如何运转的,这两种理论在各自领域如鱼得水,但它们两个却又是水火不容。许多物理学家认为,肯定有一种方法能把这两种理论相结合。其中一种比较著名的大统一理论是超弦理论,或简称为弦理论。让我们来简要概述一下这个复杂的观点。

只有弦,没有粒子。

我们都学过,质子、中子、电子和夸克等这些基本亚原子粒子的存在造就了我们所知的所有物质。物理学家已经研究了这些粒子的运动行为以及彼此间的相互作用,但这个过程引起了一系列的冲突。

根据弦理论,这些亚原子粒子不存在。相反,实际上存在的是那些因为太小而使目前仪器无法观测到的一小根振动弦。而弦又有开弦和闭弦之分。弦振动的频率确定了粒子类型,并决定粒子的大小和质量。

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弦振动的频率确定了粒子类型及其性质

弦如何替换点状的粒子呢?在亚原子层面,振动频率与其能量之间存在关系。与此同时,正如爱因斯坦著名的质能方程E=mc^2告诉我们,能量和质量之间存在关系。因此,物体的振动频率和它的质量存在关系。这种关系就是弦理论的核心。

限制宇宙的维度。

爱因斯坦的相对论开启了宇宙的多维度,因为相对论的适用性没有受到维度的限制。不管是在四维还是四十维,相对论都能很好的适用。但弦理论只适用于10维或11维。如果科学家能找到支持弦理论的证据,那宇宙的维度将会有限制。

在日常生活中,我们只能感受到四个维度。那么,弦理论预测的遗失维度在哪里呢?弦理论家认为这些维度蜷缩到一个紧空间中。这个空间很小,仅有弦的尺寸(约1.6×10^(-33)厘米,即普朗克长度),所以我们无法探测到它们。

另一方面,这些额外的维度可能是太大了而使我们难以测量;我们的四维时空可能蜷缩至非常小的尺寸,依附于这些更高维度之中。

弦理论有望统一相对论和量子力学,成为大统一理论

寻找证据。

在1996年,美国物理学家Andrew Strominger和Cumrun Vafa利用熵(混乱度越高,熵值越大)来模拟黑洞。雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金在二十年之前就已经模拟过这样的黑洞了,但当时,没有人能弄清楚黑洞的熵为什么这么高。

Strominger和Vafa构建的理论黑洞不同于星系中心的传统黑洞。相反,他们根据弦理论来模拟黑洞,这把弦理论与驱动黑洞的引力(基本力)相联系在一起。通过基于弦理论的弦而不是传统的粒子,这个候选的大统一理论更具有可信度。

关于弦理论是否就是“终极理论”,目前还不得而知。但弦理论是一个强有力的候选理论来解释宇宙的一切。

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