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走近科学,认识弦理论

2019-3-22@艾米

弦理论试图将20世纪物理学的两大支柱 – 量子力学和爱因斯坦相对论,与一个可以解释所有物理现实的总体框架结合起来。它试图通过假设粒子实际上是一维的,类似于弦的实体来实现这一点,这些实体的振动决定了粒子的特性,例如它们的质量和电荷。

这个反直觉的想法最早是在20世纪60年代和70年代发展起来的,当时弦被用来模拟来自欧洲亚原子对撞机的数据。弦提供了一种优雅的数学方法来描述强力,它是宇宙中四种基本力之一,它将原子核结合在一起。

这个话题一直处于边缘化状态,直到1984年的“弦理论革命”,当时理论家迈克尔格林和约翰施瓦兹制作了方程式,证明弦如何避免某些不一致性困扰模型,这些模型将粒子描述为点状物体。

但这第一次开花让研究人员得到了五种不同的理论,解释了一维弦如何在10维现实中振荡。第二次革命发生在1995年,当时物理学家表明这些不同的想法都是相关的,并且可以与另一种称为超引力的理论相结合,这种理论在11个方面起作用。这种方法产生了弦理论的当前化身。

走近科学,认识弦理论

解开谜团

弦理论是提出的产生万物论的方法之一,该模型描述了所有已知的粒子和力,并且将取代物理学的标准模型,其可以解释除了重力之外的所有事物。许多科学家因其数学美而相信弦理论。弦理论的方程被描述得很优雅,其对物理世界的描述被认为是非常令人满意的。

该理论通过一个特定的振动弦来解释重力,该弦的特性与假想的引力子(一个承载引力的量子力学粒子)相对应。这个理论奇怪地需要11个维度 – 而不是空间的三个维度和我们通常经历的时间,并没有劝阻提倡它的物理学家。根据NASA的说法,他们只是简单地描述了额外的维度是如何卷曲在一个非常微小的空间里的,大约10 ^ -33厘米,这个尺寸足够小,我们通常无法检测到它们。

研究人员使用弦理论试图回答有关宇宙的基本问题,例如黑洞内部的问题,或模拟大爆炸等宇宙过程。一些科学家甚至试图用弦理论来处理暗能量,这种神秘力量加速了时空的膨胀。

永无止境的追求

但弦理论最近受到了更严格的审查。目前的技术大多数预测都是不可测试的,许多研究人员都想知道他们是否会陷入永无止境的兔子洞。2011年,物理学家聚集在美国自然历史博物馆参加第11届年度艾萨克·阿西莫夫纪念辩论,讨论将弦理论转变为对现实的可行描述是否合理。

“你是在追逐一个幽灵,还是你的集合太愚蠢了,无法解决这个问题?”

弦理论的最新挑战来自框架本身,它预测存在潜在的大量独特宇宙,多达10 ^ 500(即数字1后跟500个零)。这种多元宇宙似乎提供了足够的可能性,如果研究人员探索它们,它们会遇到一个与我们自己的现实版本相对应的东西。但在2018年,一篇有影响力的论文表明:这些无数假设宇宙中没有一个看起来像我们的宇宙;具体来说,每个都缺乏我们目前所理解的对暗能量的描述。

德国法兰克福高级研究所的物理学家萨宾·霍森费尔德(SabineHossenfelder)曾表示“弦理论学家提出了看似无穷无尽的数学结构,这些结构与观测没有任何已知的关系。”

其他研究人员认为,弦理论有一天会出现结果。在今日物理杂志写作,密歇根大学的物理学家戈登·凯恩认为,与目前的升级正在进行,大型强子对撞机可能产生弦理论的证据,在不远的将来。但该理论的最终命运尚未知晓。

其他研究人员坚持认为,弦理论总有一天会出现结果。密歇根大学的物理学家戈登·凯恩 (Gordon kane) 在《今日物理学》杂志上撰文指出,随着目前正在进行升级,大型强子对撞机将在不久的将来产生弦理论的证据。但该理论的最终命运尚未知晓。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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