從“弦理論”視角看量子力學(xué)

張夢瑤

摘 要：人類科學(xué)經(jīng)過三百余年的發(fā)展，對(duì)宇宙仍舊知之甚少。從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律到麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電生磁、法拉第發(fā)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象，再到愛因斯坦將時(shí)間空間與引力三者緊緊地結(jié)合在一起，仍未提出一個(gè)能將力學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一在一起的理論。本文從“弦理論”出發(fā)，以“弦理論”視角試論了其與量子力學(xué)、多維空間和大一統(tǒng)力學(xué)的理論之間的關(guān)系，希望能為后續(xù)研究提供一些想法。

關(guān)鍵詞：弦理論;量子力學(xué);多維空間;相對(duì)論

1.“弦”的誕生

不同的研究者有不同的觀點(diǎn)，一部分科學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是以“弦”的形式存在，即“弦理論”[1]。其指出，粒子是不存在的，在空間中運(yùn)動(dòng)的僅弦而已，所謂的粒子其實(shí)是弦的各種振動(dòng)模式[2]。所有的相互作用都是能量與物質(zhì)，皆可用弦理論來解釋，弦的不同振動(dòng)形式產(chǎn)生了不同的離子。最有趣的是，弦的運(yùn)動(dòng)并非常見的三維運(yùn)動(dòng)，其實(shí)是一種高維空間運(yùn)動(dòng)，這在三維空間里是難以想像的。人們對(duì)于空間或許存在錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，空間所具備的形式或許已超過了三維空間的我們的想象[3]。但是這種高維度、高能量、高溫度的空間比較不穩(wěn)定，類似于氣球的膨脹過程，最后導(dǎo)致大爆炸的發(fā)生。其結(jié)果是降低了維度、消耗了能量、引起了溫度的降低、一維時(shí)間與三維空間無限延伸，直到產(chǎn)生了如今我們能夠看到的宇宙。

愛因斯坦所持有的相對(duì)論研究的是引力相關(guān)理論。物體由于質(zhì)量互相吸引而產(chǎn)生了引力，物體的引力與質(zhì)量呈正相關(guān)性。而質(zhì)量是如何產(chǎn)生的引力的呢？為何如此微弱的引力在宏觀范圍內(nèi)能夠發(fā)生作用？例如兩塊石頭兩個(gè)人之間的引力幾乎可以忽略不計(jì)，但是兩個(gè)天體之間的引力就十分明顯。愛因斯坦的相對(duì)論解釋這這個(gè)問題：空間其實(shí)也有形狀，若該空間為真空即沒有物體存在，空間當(dāng)為平直而光滑的。若這時(shí)有物體來到空間，就會(huì)使空間的形狀發(fā)生了彎曲。這就好比在一個(gè)平滑的床墊上放入一個(gè)鉛球，放入的瞬間床墊會(huì)發(fā)生凹陷，而引力的產(chǎn)生就是基于此。這就解釋了為什么地球會(huì)在太陽軌道上繞行，原因在于太陽的質(zhì)量使得周圍空間形成了一個(gè)凹陷，這個(gè)凹陷使得地球滾入其中。因此，質(zhì)量不大的物體之間的引力作用可以被忽略。引力呈現(xiàn)出美麗的幾何形狀，但在相對(duì)論里其實(shí)引力本身并不存在，是由于質(zhì)量引發(fā)空間扭曲產(chǎn)生了萬有引力現(xiàn)象，引力的本質(zhì)被廣義相對(duì)論圓滿地解釋了。

量子理論認(rèn)為微觀世界存在200多種基本粒子，這些粒子組成了微觀世界，這些粒子由于質(zhì)量小到趨近于零，軌道變幻莫測，沒有規(guī)律可以找尋。四大基本力中的三種電磁力、強(qiáng)力和弱力可以由粒子交換產(chǎn)生，例如電磁力就是由交換光子產(chǎn)生的。然而，由于空間扭曲所引發(fā)的引力無法經(jīng)由粒子交換而形成，同時(shí)，微觀世界里的粒子，其質(zhì)量相當(dāng)?shù)男。疫\(yùn)動(dòng)的毫無規(guī)律，如何能說其在微觀世界可以引發(fā)作用？由此可見，量子理論無法涵蓋引力。所以，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是難以統(tǒng)一的，這即是當(dāng)代最大的物理學(xué)的難題。科學(xué)家始終相信，宏觀與微觀層面的世界應(yīng)當(dāng)是個(gè)連貫的總體，難以設(shè)想宇宙可以經(jīng)由2個(gè)毫無關(guān)聯(lián)的理論拼湊而成。為了讓這兩個(gè)理論可以統(tǒng)一起來，科學(xué)家提出過許多設(shè)想，但是這些設(shè)想或者是修正相對(duì)論或者是修正量子力學(xué)理論。盡管這些理論都在一定程度上解釋了問題，但是仍然不能很好地將兩種理論統(tǒng)一起來。

2.“弦理論”的設(shè)想

根據(jù)“弦理論”模型，能夠預(yù)測出微觀世界存在62種的基本粒子，到目前為止，只有兩種基本粒子仍未被發(fā)現(xiàn)，一種是希格斯粒子，另外一個(gè)是引力子。引力子作為傳播萬有引力作用的粒子，其自旋數(shù)是2，在“弦理論”里面，引力子是一種比較特別的粒子，這是由于引力子的“弦”是閉合的，和光子電子等其他粒子擁有的“開弦”有所不同。一般粒子的“弦”是被“膜”所束縛靠在兩個(gè)端點(diǎn)上不斷振動(dòng)。而引力子的“弦”是閉合的，不受“弦理論”所謂的“膜”束縛，可以自由運(yùn)動(dòng)。通過“弦理論”的進(jìn)一步推導(dǎo)，能夠得出我們所在的宇宙僅僅是數(shù)千億個(gè)宇宙之中的一個(gè)而已，這就是所謂的“平行宇宙”假說。這解釋了宇宙大爆炸的原因，即兩個(gè)更高維度的宇宙彼此碰撞而產(chǎn)生的。而這種形式的碰撞并非只有一次，而是一次又一次的碰撞，進(jìn)而形成了我們現(xiàn)在所在的四維宇宙。

如果宇宙是一個(gè)氣泡的話，那么我們所在的宇宙邊緣是一個(gè)“膜”，“膜”內(nèi)就是我們所在的宇宙。這個(gè)宇宙中的粒子被“膜”所束縛而不能夠進(jìn)入別的宇宙之中，但是引力子去可以不受“膜”的束縛，這就解釋了為什么引力看起來要比其他作用力更弱。通過“弦理論”可以進(jìn)一步猜想，我們設(shè)想一下如何與更高維度空間的“外星人”溝通，可以通過引力子的波動(dòng)來完成彼此的交流，通過“蟲洞”來把引力子發(fā)送給“外星人”，這其實(shí)看似瘋狂，在“弦理論”中卻是合理的。

從上文的論述可以得出，在宇宙大爆炸后，產(chǎn)生了兩種粒子，一個(gè)是高速運(yùn)動(dòng)粒子，比如說光子，另外是運(yùn)動(dòng)較慢的粒子。那這能不能說明我們的外圍宇宙正在以光速膨脹呢？從觀察結(jié)果來看，我們的宇宙尚未到達(dá)光速的膨脹速率。此外，根據(jù)“弦理論”光子不能夠脫離宇宙的“膜”，一旦我們的宇宙外圍的“膜”膨脹到達(dá)光速，那么我們就會(huì)和別的平行宇宙發(fā)生撞擊，因此一定有一種力能夠減緩宇宙外圍的高速運(yùn)動(dòng)粒子的運(yùn)動(dòng)速率。

根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論與黑洞理論，一切的物體都不能夠逃脫黑洞的引力，即使是光子也不能夠逃出。根據(jù)分類，黑洞是暗物質(zhì)的一種，那么我們所外的宇宙邊緣是不是也存在著一層暗物質(zhì)來“拉住”這些高速運(yùn)動(dòng)的粒子？答案是或許有或許沒有。如果有的話，宇宙的擴(kuò)張不是直線形式的擴(kuò)張，而是螺旋式的膨脹，就像銀河系一樣。2003年美國與以色列兩國的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，所有的星系外層都有包圍著一層巨大的暗物質(zhì)層，其發(fā)現(xiàn)了矮星體外圍的暗物質(zhì)層的存在的證據(jù)，這些天體多數(shù)都像銀河系一樣，是旋渦型星系。這個(gè)能很好地解釋宇宙的分層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地證明了“弦理論”。

3.總結(jié)

迄今為止，上述所有的觀點(diǎn)還不能完全地通過實(shí)驗(yàn)來證明，目前我們只能利用微觀的實(shí)驗(yàn)來證明“弦理論”進(jìn)而推導(dǎo)宏觀的“弦理論”。“超對(duì)稱理論”是“超引力”和“超弦理論”的基礎(chǔ)。當(dāng)前世界范圍內(nèi)的加速器設(shè)備尚不滿足證明“超對(duì)稱理論”的條件。但是一旦該理論被實(shí)驗(yàn)所證明，那么我們就能夠很好地解釋暗物質(zhì)、暗能量的產(chǎn)生和存在。但是現(xiàn)在連引力子都尚未被捕捉到的情況下，從根本上證明“弦理論”還為時(shí)尚早。但是目前科學(xué)界普遍比較堅(jiān)持“弦理論”，正是基于其強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。若證明其錯(cuò)誤恐怕也比較困難。此外，“弦理論”也是最有可能把引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力以及一切粒子完全統(tǒng)一起來的大一統(tǒng)理論。很多現(xiàn)象都能夠被“弦理論”很好地解釋。假設(shè)“弦理論”被實(shí)驗(yàn)完全證明，人類才能夠算開始了解宇宙。宇宙的奧秘正在等著人類一個(gè)個(gè)地去揭開。

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