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物理學家們常說的弦理論到底是什麼?7分鐘理解弦理論的來龍去脈

現代物理學的兩大支柱,量子力學和相對論,但是它們在極端的情況下會產生無法調和的矛盾,但是為了解決這個矛盾,就需要一種全新的理論,就是弦理論。

那我們就來看看弦理論是如何誕生的

如果要選出一位全世界最出名的科學家,那答案肯定是愛因斯坦。愛因斯坦的最大貢獻是相對論,它完全推翻了牛頓的物理學體系,徹底重塑了人類對宇宙的認知。相對論是一個天才的創想,也是現代物理學的兩大支柱之一。

現代物理學的另一大支柱叫量子力學,這套理論比相對論更抽象,更違反常識。量子力學的泰斗費曼曾經說過這麼一句話,他說:相對論雖然艱深,你是你只要認真度過相對論,就能看懂,但換成量子力學的話,不好意思,沒人能看懂量子力學。

相對論和量子力學是現代物理學的根基,是物理學大廈的基礎,從宇宙膨脹到組成物質的基本粒子,它兩都能解釋!

這兩套理論都經過無數次嚴格的檢驗,無論實驗的精度有多高,相對論和量子力學都能得到證實,屹立不倒,可以說是人類歷史上最成功的兩大科學成就!

但問題恰恰就出在這裡!作為物理學的基礎,相對論和量子力學在根本上是存在衝突的,在某些條件下,這兩套理論水火不容,所以不可能同時正確,為什麼這麼說?

先來看一看廣義相對論

物理學家惠勒曾經用了一句非常簡潔的話來概括它:「物質告訴空間如何彎曲,空間告訴物質如何運動」。

在我們傳統的認知中,空間是看不見摸不著的,但在廣義相對論看來,空間就是一張非常巨大的平滑的膜。你可以想像一下家裡的保鮮膜,而且這個膜是有彈性的,如果我們把一顆球放到這張巨大的膜上,膜就會凹下去,在這裡膜就相當於空間球,就相當於太陽地球這些星球。

這麼一想你就明白了,物質會讓空間彎曲,而且物質越重膜彎曲得就越厲害。如果物質的質量很小,這個彎曲的幅度也小,這就叫物質告訴空間如何彎曲。

所以當空間這張膜彎曲後,就會影響物質的運動軌跡。你想一下,假如一張膜凹了下去,那麼在上面滾動的小球運動軌跡肯定會受到影響。

在牛頓的物理學中,地球圍著太陽轉,是因為引力的作用,但牛頓無法解釋引力是怎麼來的。而廣義相對論就提出引力的本質就是這種空間的形變,它影響了物質的運動,所以行星繞著太陽轉,就是因為太陽扭曲了周圍的時空,影響了太陽系內所有星體的運動,這就叫空間告訴物質如何運動。

明白了這兩點,大概你就知道了廣義相對論是怎麼回事了。

那再來看一下量子力學。

這裡主要解釋一下不確定性原理,也叫測不準原理。這個原理的核心很簡單,就是一個粒子的位置和速度不可能同時被確定。如果他位置越確定,那他速度的不確定性就越高。如果速度越確定,那位置的不確定性就越高。

舉個例子,假如有一個很大的盒子,這個盒子里有一個電子,你想把這個電子給抓起來,所以就把這個盒子慢慢往裡擠壓,越擠越小,這個時候這個盒子在位置上的確定性就變高了。

但這時你會發現這個電子變得越來越瘋狂,在盒子里到處亂撞,速度越來越大,行動軌跡越來越難以預料。也就是說它的速度變得越來越不確定,所有的微觀粒子如果我們把它限定在一個極小的空間區域內,那這些粒子就會變得越來越瘋狂,越來越難以琢磨。

而且不光是位置和速度之間存在著這種關係,能量和時間之間也存在著這種關係。所以如果考察時間足夠短的話,粒子的能量就會在短時間內瘋狂的漲落起伏。

再根據不確定性原理,即使是看似什麼都沒有的一片空間,如果我們把視野縮小到電子的尺度,就會發現這裡有非常活躍。所以在量子世界裡是一個混沌而瘋狂的世界。引力場在微觀尺度上也會因為量子漲落而波盪起伏,而且我們關注的空間越小,這種起伏就越大。

看到這,相對論和量子力學的矛盾就顯露出來了。

在廣義相對論看來,宇宙空間就像一張巨大的膜,雖然物質可以使它彎曲,但空間還是很平滑的。但在量子力學看來,宇宙空間在微觀尺度上是劇烈漲落的,根本就不是平滑的。

所以在超微尺度上,相對論和量子力學衝突了。這個衝突就是弦理論誕生的背景,是弦理論需要解決的問題。但是在一般人看來,這兩套理論基本上都不會衝突。因為這兩套理論各管一塊領域一般不會發生交叉。

廣義相對論關注的是宏觀的問題,在分析地球太陽星系這些大質量物體大尺度範圍時非常管用。量子力學關注的是微觀的問題,在研究粒子的運動這些小尺度的問題時特別管用。

一般情況下他們是相安無事的,但問題是如果我們在一個很小很小的尺度上來進行計算的話,那兩套理論就會發生衝突了。這個尺度叫普朗克,長度是1.6乘以10的-33次方厘米,這個尺度有多小呢?

假如我們把一個原子放大到向整個宇宙那麼大,那普朗克長度也就只相當於地球上的一棵樹那麼高。那你可能會問,這麼小的尺度到底有沒有研究意義?

還真有!比如說黑洞的中心,質量極大,尺度極小,或者宇宙大爆炸那一瞬間的宇宙也是質量極大,尺度極小,如果我們要研究這些問題,那相對論和量子力學的衝突就必須得解決。

物理學一路發展到相對論和量子力學這裡,終於出現了不能不解決的矛盾,為了解決這個矛盾,就需要一套能夠調和他們的理論,在這個背景之下弦理論就誕生了。

如果您覺得相對論和量子力學已經夠奇怪了,那等我們到了弦理論的時候再看。


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