弦理论——宇宙的本质是什么?

#科普08:00487

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宇宙真正的本质是什么?
为了回答这个问题 人类提出很多猜想来描述这个世界
我们检验我们的猜想并学会什么要保留 什么要丢弃
但是我们了解得越多 我们的猜想就变得越复杂和怪异
其中一些猜想过于古怪以至于
很难知道它们到底是什么
就像弦理论
一个著名的 有争议的并且经常不被理解的
有关世界万物本质的猜想
我们为什么会想到它?它是对的吗?
或者它只是一个我们应该丢弃的想法
为了理解现实的本质
我们近距离地观测事物 并感到惊叹
不论是尘埃中的美妙风景
充满稀奇古怪生物的动物园
还是复杂的蛋白质组合
它们都是由分子组成的结构
甚至由数不尽的更小的东西
——原子 组成
我们曾以为它们是现实世界的最基本物质
直到我们用力地将它们一起撞碎
发现了不能再被分解的东西
基本粒子
但是现在 我们有一个问题
它们太小以至于我们不再能观察到它们
思考一下:什么是“看见”?
为了能看见东西 我们需要光——一种电磁波
这束光波撞击到物体表面
然后反射到你的眼睛里
它会携带一些物体的信息
便于大脑去创造这个物体的图像
因此 如果不与物体相互作用 你就无法看到东西
“观察”是一个主动而不是被动的接触过程
对于大部分物体而言 这不算什么问题
但粒子实在是太微小了
小到那些我们用来“观察”的电磁波
都显得太过巨大而无法触碰粒子
可见光也仅仅是掠过它们
我们可以试着通过制造更多波长更短的电磁波
来解决这个问题
但波长越短 意味着需要更多能量
所以当我们用高能电磁波
去触碰一个粒子时
它会改变这个粒子
当我们看到这个粒子时 它就会被改变
所以我们无法对基本粒子进行精确测量
这个重要的事实被命名为:
海森堡不确定性原理
它是所有量子物理学说的基础
那么粒子看起来到底是什么样呢?
它的性质又是什么?
我们无从得知
如果努力地观察
我们能够看到一个模糊的球状物
但这仍然不是粒子本身
我们只知道它们真实存在
既然如此
该如何对它们进行科学研究呢?
我们遵循前人的足迹 发明了一个全新的理论
一个有关数学的奇幻故事:
质点的假设
科学家认为一个粒子是空间中的一个点
任何电子都是一个拥有一定电荷量和质量的点
它们之间没有任何区别
这样一来 物理学家就能够定义它们
并计算出它们之间的相互作用
这就是量子场论 它解决了很多问题
所有粒子物理的标准模型
都建立在它的基础之上
并且它很好地对很多事情作出预言
例如 电子的某些量子特性
已经被检测到并且精确到了
0.0000000000002%
所以即便粒子并非真正的质点
通过这种假设
我们也得到了一幅宇宙的美丽图景
这个想法不仅推动了科学进步
也促进了现实世界中一些日常技术的诞生
但是还有一个重要问题:重力
在量子力学中 所有物理基本作用力都是由某些粒子携带的
但是 根据爱因斯坦的广义相对论
重力与宇宙中的其他力不同
如果宇宙是一幕戏剧 粒子就是其中的演员
而重力就是舞台
简而言之 重力是关于几何学的理论
是关于时空自身距离的
需要绝对精确描述的几何学
但是由于在量子世界里
我们无法精确地测量物体
所以有关重力的学说无法在量子物理中实现
当物理学家尝试通过创造一个新粒子
来将重力引入量子物理时
就会出现数学运算崩溃的严重问题
如果我们能将重力
与量子物理和标准模型相结合
我们就拥有了一个可以解释世间万物的理论
一些非常聪明的人据此创造了一个新理论
他们提出这样一个问题:有什么会比一个点更加复杂?
那就是线——线或者弦
弦理论由此诞生
弦理论之所以如此迷人
是因为它将许多不同的基本粒子
描述为弦上不同的振动模式
就像小提琴琴弦的不同震动能够
发出许多不同的音符
一条弦也可以提供不同的粒子
更重要的是 它涵盖了重力
弦理论宣称要统一所有基本的宇宙间的力
这引发了巨大的轰动
弦理论很快升级成为一种有可能解释万物的合理理论
不幸的是 随之而来的
却是一系列问题
大多数涵盖一致弦理论的数学
无法在我们现在这个只拥有三维空间和一条时间线的宇宙中实现
弦理论需要十种维度才能运作
因此它只能在宇宙模型中运算
然后尝试脱离其他六种多余的维度
来解释我们目前的宇宙
但目前为止还没有人成功
而且弦理论的相关假说
也没有被实验证实
所以目前弦理论仍然没有揭露宇宙的本质
有人或许会质疑
在这种情况下 弦理论似乎毫无用处
科学都是由实验和预言组成的
如果做不到这些 科学家又何必要提出弦理论呢?
所以弦理论的用处在于我们应该如何利用它
物理学以数学为基础
2加2等于4
无论你怎么想 它就是正确的
而弦理论中的数学运算也确实取得了一定成效
这就是弦理论仍然大有用处的原因
想象一下 如果你要建造一艘航船
而你只拥有一只小游艇的蓝图
它们之间有许多差异:
引擎 材料
以及规模
但总有些东西是相通的:
那就是漂浮的能力
所以通过研究游艇的蓝图
最终依然能学到很多建造航船的知识
通过结合弦理论
我们或许能试着去回答一些让物理学家困惑数十年的
量子引力的问题
例如黑洞的运作过程 以及信息悖论
弦理论或许可以为我们指引正确的方向
在这一理念的鼓舞下
弦理论成为了理论物理学家的有力工具
帮助他们在量子世界中获得新发现
并完成一些叹为观止的数学运算
所以 也许弦理论
并不能解释世间万物
但就像点粒子的假设一样
它或许会成为一个富有帮助的假设
直至现在 我们仍然不知道现实的真正本质为何
但我们会不断提出新理论去探索
希望在未来的某一天
我们真的会找到答案
本视频由瑞士国家科学基金会提供支持
并在亚历山大•斯芬哲尼的科学指导下完成
同时感谢亚历珊德拉•涅基 皮耶拉贝尔托•马尔凯蒂 大卫•唐以及苏黎世MNG Rämibühl的学生
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