内容介绍
《宇宙的琴弦》作者布赖恩·格林是世界顶尖的物理学家,牛津大学物理学博士,哥伦比亚大学数学和物理学教授。
本书讲述了弦理论产生的背景、基本思想和观点,介绍了弦理论对物理学的影响。
1、为什么需要弦理论?
广义相对论和量子力学已经被无数的实验和事实所验证,它们都是正确的,一个能够解释宏观世界,一个解释微观粒子。但是在某些特殊场景中,比如在黑洞的中心、大爆炸时刻的宇宙,物质质量大而尺度小,这时我们既需要广义相对论,也需要量子力学。然而,当两个理论的方程结合起来时,好好的物理问题却得不出有意义的答案。也就是说,此时二者发生了矛盾。
直到弦理论的出现才基本解决了这个矛盾。
2、弦理论到底说了些什么?
弦理论认为,如果把电子和夸克等基本粒子放大,会发现它们是由一个个小环构成的,每个环都像是无限细的一维橡皮筋,在不停的振动。物理学家把这些振动的“橡皮筋”叫做弦。弦的不同振动模式,形成了不同的基本粒子。
弦理论认为,宇宙的空间结构是11维的。
物理学家通过数学推导发现,弦理论中的宇宙应该有十个空间维度,和一个时间维度,一共11维。在十个空间维中,有三个维度是展开的,也就是我们所感受到的三维世界,而其余的七个维度是蜷缩起来的。由于这些蜷缩的维度尺度太小,目前用最精密的仪器也无法观测到,所以我们感觉不到它们的存在。
弦理论认为黑洞和基本粒子本质上是一样的。
物理学家发现,任何两个黑洞,如果有相同的质量、力荷和自转,它们就是完全相同的,这跟基本粒子的性质是一样的。力荷是粒子对力的作用所产生的反应。我们平常说的电荷就是一种力荷,它是一个粒子对电磁力的反应。
物理学家从弦理论出发,经过极其复杂的计算,发现在某种情况下,大质量的黑洞能够转化为一个没有质量的粒子,在弦理论中,那就是一根以某种特殊方式振动的弦。
3、弦理论有什么用呢?
1)弦理论解决了量子力学和广义相对论的冲突,让我们离物理学的“终极理论”更近了一步。
在弦理论中,空间并不是可以无限分割的。基本粒子是有空间大小限制的,小到弦的平均长度就不能再小了,而弦的平均长度,就是普朗克长度,因此,在普朗克长度以下的空间涨落,都是我们想象出来的,所谓量子力学和广义相对论的矛盾也就不存在了。
弦理论在解决了广义相对论和量子力学矛盾的同时,实际上将引力纳入了弦理论的框架,因此在建立统一场理论的道路上迈出了重要的一步。
2)弦理论让我们找到了宇宙大爆炸的起点。
弦理论认为,在大爆炸的起点,宇宙不是无限小,而是在各个维度都有普朗克尺度,你可以把它想象成一个非常小的火球。这时宇宙的各个维度都蜷缩着,随着大爆炸的开始,三个空间维度生长出来,其余的维度还是保持普朗克尺度。三个展开的维度不断演化、膨胀,形成了我们现在看到的宇宙。
3)弦理论让人类穿越时空的梦想可能成为现实。
平行宇宙就像飘浮在空气中的一群肥皂泡,我们的宇宙只是无数肥皂泡中普普通通的一个,通常这些肥皂泡是分离的,但是,连接这些平行宇宙的虫洞可能是存在的。通过虫洞,人类就有可能在不同的“肥皂泡”间穿行,也就是实现时空穿越。
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