《宇宙的琴弦》—— 得到“每天听本书”

《宇宙的琴弦》—— 得到“每天听本书”

作者简介：

布莱恩·格林，美国物理学家。牛津大学物理学博士，哥伦比亚大学数学和物理学博士。他始终处于弦理论研究的第一线，对弦理论中空间形状和形态的研究做出过重要贡献。

思维导图：

《宇宙的琴弦》—— 得到“每天听本书”

1.现代物理学两大支柱——广义相对论，量子力学

（1）广义相对论：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。解释了牛顿力学中引力。太阳使得空间弯曲，而弯曲的空间改变了地球的运动方式。一般用来分析大质量（太阳、地球、星系）等宏观物体。

（2）量子力学：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：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，能量与实践也存在类似的关系。一般用来分析微观问题，粒子运动等。

（3）矛盾：广义相对论认为物质可以使空间弯曲，但依然是平滑的；量子理论认为宇宙在微观尺度上是混沌、疯狂的世界，而引力场在微观尺度上也会因为量子涨落而变得波荡起伏，关注空间越小，引力场起伏就越大。【？？平滑不代表不能起伏吧？？】比如我们在普朗克长度1.6x10^（-33）使用两套理论进行计算的话就会产生矛盾，例如当我们研究黑洞中心，或者宇宙大爆炸瞬间这些尺度极小，质量极大的问题时，我们就需要一套解决两个理论的矛盾了。

2.标准模型理论 与 弦理论

（1）标准模型理论【参见简书“标准模型理论”】：

宇宙中的主要物质是100多种原子，而原子又由质子、中子、电子组成。再深入一步，你可以说质子、中子都是夸克组成的。这样宇宙的最主要构成成分，也不过就是六种夸克、六种轻子和四种基本的力——按物理学家的说法叫做四种“相互作用”——包括引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。

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标准模型没办法解释引力，标准模型认为空间是可以无限分割的。

（2）弦理论：

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。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。【？那为什么就弦只有几种振动模式对应的粒子呢，不应该是无穷无尽种粒子吗，就不应该是标准模型中的6种夸克和6种轻子和4中基本力了？】

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。

另外，通过计算，弦刚好有一种振动模式能产生一个质量为0的粒子，恰好可以是科学家们期待的引力子，用来解释标准模型解释不了的引力。

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。