学自然法则就要了解的宇宙知识

《宇宙的琴弦》

关于本书

《宇宙的琴弦》是布赖恩·格林的成名之作，是关于弦理论的最好的科普书籍之一。这本书曾在当年的《纽约时报》畅销榜上排名第四，还获得了2000年的英国皇家学会科普图书奖。根据本书改编的纪录片曾三次被美国电视界的最高奖项“艾美奖”提名，并获得美国广播电视文化成就奖“皮博迪奖”。

学自然法则就要了解的宇宙知识

核心内容

布赖恩·格林从现代物理学的两大支柱理论——量子力学和广义相对论的冲突说起，介绍了弦理论的诞生背景。随后对于弦理论的基础概念、精妙之处、发展历史进行了描述，并展望了弦理论的未来。

点击查看大图，保存到手机，也可以分享到朋友圈

一、弦理论诞生于广义相对论和量子力学之间的冲突

广义相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱理论，但在普朗克尺度以下，二者产生了不可避免的矛盾。弦理论就诞生于这样的背景之下。

1. 广义相对论认为,空间是平滑的

广义相对论认为：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。在这一图景中，宇宙就像是一张巨大的膜，是平滑的。

【案例】

像太阳这样的大质量物体，会使空间产生弯曲。空间会影响物质的运动，弯曲的空间因此改变的地球的运动方式。

2. 量子力学认为，空间在微观层面是疯狂涨落的

量子力学中的“不确定性”原理认为：如果我们把观察范围缩小，那即使是在看似一片虚无的空间里，也存在着大量的活动。宇宙在微观尺度上是一个混沌、疯狂的世界。

【案例】

“不确定性”原理认为：粒子的位置和速度、能量和时间，都不可能同时被确定。假如在一个很大的盒子里装着一个电子，如果把盒子慢慢往里挤压，越挤越小，那电子在位置上的确定性就变高了，但电子的行动轨迹会越来越难以预料，速度也会变得越来越不确定。

二、弦理论认为物质的基本构成元素是“弦”

主流的“标准模型理论”认为：物质是由各种点一样的粒子构成的。但弦理论认为，物质的基本构成元素是一根根震动的“弦”，并由此解决了相对论和量子力学之间的冲突。

1. 物质是由振动的“弦”组成的

弦理论认为，如果我们把基本粒子放大，会发现它们是由一个个小环构成的。每个粒子都像是一根无限细的、一维的橡皮筋。“弦”的不同震动方式产生了不同的粒子。

【案例】

我们可以把弦理论中的“弦”想象成乐器的弦：通过不同的弹奏力度，可以让同样的弦产生不同的振动，发出不同的声音。弦理论里的弦也是这样，虽然所有的弦都是一样的，但这些弦有不同的振动模式，所以可以产生不同的粒子。比如说，如果弦的振幅大，波长小，那产生粒子携带的能量就高。

2. 弦理论解决了量子力学和广义相对论之间的冲突

量子力学和广义相对论的冲突，只有在普朗克尺度下才会展现出来。而在弦理论中，空间并不是可以无限切割的：由于物质的基本构成元素是弦，而弦的平均长度大约是普朗克尺度，因此在普朗克尺度以下的空间里所发生的事是无法影响到任何事物的。也就是说，量子力学和广义相对论的冲突在弦理论中其实是不存在的。

【案例】

如果用手去摸一块精心加工过的花岗石，你会感觉它特别光滑顺手。但如果用放大镜或者显微镜来观察它的表面，就会发现花岗石的表面有许多颗粒，只是这些颗粒太小，手根本感觉不到。

在这个例子中，花岗石表面的小颗粒已经超出了手的感知范围，对于手来说它是没有意义的。同样的道理，如果我们把手换成弦的话，那就意味着，如果一个东西比弦还小，对弦都产生不了影响，那它对于我们来说，也是没有意义的。

三、弦理论推翻了许多对于宇宙的传统的认知

科学家通过数学推导发现，弦理论中的宇宙应该是11维的。利用弦理论，科学家们还在黑洞和基本粒子之间建立了无懈可击的联系。

1. 弦理论中的宇宙是11维的

科学家通过数学推导发现，弦理论中的宇宙应该有10个空间维度和1个时间维度，一共11维。10个空间维中，有3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7个维度是蜷曲起来的，目前还观测不到。当然，这一理论目前还不成熟。

【案例】

如果我们离得远一点观察一根水管，会认为这根水管是一维的，蚂蚁只能进行一维运动。但如果我们凑近了看，就会发现水管还是有粗细的，蚂蚁不光可以顺着水管的方向爬，它也可以在水管上转圈爬。转圈的那个方向，也是一个维度。我们的宇宙就像这根水管，有些维度是展开的，有些维度是蜷曲的。

2. 黑洞和基本粒子之间存在着联系

任何两个黑洞如果有相同的质量、力荷和自转，那它们就是完全相同的，这跟基本粒子的性质是一样的。此前科学家们就试图在黑洞和基本粒子之间建立联系，弦理论的出现完成了这一构想。但目前这一理论也尚未成熟。

金句

1. 物理学家恵勒曾经用一句非常简洁的话，概括了广义相对论的核心内容：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。”

2. 一个粒子的位置和速度，不可能同时被确定。如果它的位置越确定，那它速度的不确定性就越高；如果速度越确定，那位置的不确定性就越高。

3. 广义相对论关注的是宏观的问题，量子力学关注的是微观的问题，一般情况下它们是相安无事的。但如果我们在一个很小很小的尺度上来进行计算，这两套理论就会发生冲突。

4. 弦理论认为，我们的宇宙不是由点状的粒子组成的，而是由一根根振动的弦构成的。弦的不同振动模式，就产生了不同的粒子。

5. 在标准模型理论中，空间是可以无限分割的。但在弦理论的世界中，空间只能小到弦的尺度，不能再小了。