宇宙的琴弦,一维空间孕育众生

来源:http://www.0353bbs.com 作者:招商引资 人气:176 发布时间:2019-09-21
摘要:据国外媒体报道,宇宙是否只有一个空间维度?这是一个令理论科学家费解的问题,但近日,有科学家声称将马上找到答案。这个想法最早由布法罗大学的理论物理学家德扬?斯托伊科维

据国外媒体报道,宇宙是否只有一个空间维度?这是一个令理论科学家费解的问题,但近日,有科学家声称将马上找到答案。这个想法最早由布法罗大学的理论物理学家德扬?斯托伊科维奇(DejanStojkovic)在2010年提出。他的团队认为,早期的宇宙单一且微小,是一维的,然后膨胀成二维,然后再形成我们如今生活的三维空间。如果这个理论能被证实,或许就能解决粒子物理学家面临的重要难题。

(文/Lisa Grossman)宇宙在诞生之初的维度可能低于三维,并且在极高的能量下它仍有可能塌缩至一维。

关于作者

在《物理评论快报》的一份新论文中,斯托伊科维奇博士和他的同事们提出一种可证明“维度消失”的假设是否正确的实验。因为光和波传播到地球需要时间,所以,当望远镜观测太空的时候,本质上是在回望过去。在一维或二维空间,引力波无法存在。所以,斯托伊科维奇博士认为,已计划完善的引力波观测站无法发现任何早期宇宙的引力波。LISA全称为空间天线式激光干涉仪(TheLaserInterferometerSpaceAntenna),是美国宇航局和欧洲太空总署的合作项目,将于2016年开始工作。

这个观点也许会解决粒子物理学中最棘手的问题。物理评论快报3月11日发表的新研究表明,它可以被下一代望远镜验证。这使它比其他更主流的理论模型(如弦理论)更有优势。

布赖恩·格林,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。

斯托伊科维奇博士表示,维度变化的理论将彻底转变人们对宇宙演变的认识和想法。这个理论指出,大爆炸后的早期宇宙,充满了高能量,反而有较少的维数。这也可以解释量子力学和广义相对论的不兼容。量子力学通常描述宇宙的小规模,而广义相对论擅长描述宇宙的大规模。同时也指出随着宇宙的膨胀,将会增加第四个维度。 斯托伊科维奇博士称:“物理学家为这个问题已经困扰了30年,但现在的想法也不足以解决他们的困惑。我们应该考虑到该理论是否有系统性的错误,然后去发现更根本的新理论。”

粒子物理学现有的标准模型虽然可以解释绝大部分的宇宙,但却在大爆炸后的高能状态下失效了。这是致命的问题。例如,标准模型始终无法解释为何宇宙在加速膨胀,而且也无法把宏观和微观物体的物理规律相连接。

关于本书

绝大多数理论物理学家认为这种缺陷意味着高能状态产生了新的物理规律,可能包含了新粒子和额外的、不可见的空间维度。但是所有的新理论都没有得到实验验证。

《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”。

“我认为人们太沉迷于主流模型。”布朗大学的物理学家格雷格•兰茨贝格告诉我们,“我们可能会因此而一叶障目。粒子物理学界太需要突破,也太需要新的实验数据来推动了。”

核心内容

去年,兰茨贝格和同事们提出了使标准模型适用于高能情况的简单方法:让宇宙的维度消失。如果炙热的新生宇宙只有一维,随着它的扩张和冷却才获得更多的维度,那么一些物理学的顽疾就神奇地治愈了。

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。

兰茨贝格建议把这种维度减小的宇宙想象成手织的挂毯。这个挂毯描绘了三维世界的场景,人物和景观的透视与现实相同。但是如果向它靠近,会发现它越来越像一块二维的布。而在放大镜下观测才显露出它的本质其实是一根一维的线,且通过复杂的方式组合在一起。

一、弦理论诞生于广义相对论和量子力学之间的冲突

“你可以把宇宙想象成这种很长很长的线,它在宇宙膨胀的过程中交叠。”

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。

“这推动了宇宙学的变革,改变了我们对早期宇宙的看法。洛杉矶罗耀拉大学物理学家乔纳斯•穆雷卡——论文的第一作者说,“它成为了典范。”

  1. 广义相对论认为,空间是平滑的

在新论文中,斯托伊科维奇和穆雷卡提出了检测宇宙年轻、能量更高时是否维度更低的方法。在我们的三维宇宙里,运动着的大型天体发出引力波。美国国家航空航天局(NASA)计划筹建LISA太空望远镜(激光干涉仪空间天线)来搜索宇宙中的引力波,并使用它们来研究暗物质物理学。但是数学证明,在二维或维度更低的空间内,引力波是无法存在的。“如果拥有少于三维的空间,就没法绕过引力波不存在的事实。”穆雷卡说,“它们确实不存在。”这意味着宇宙变成三维前引力波是不应存在的。但在宇宙特定时期和特定能量下也会有一些引力波,但那些频率之上LISA应当毫无所获。斯托伊科维奇和穆雷卡表示这个截止频率大约是0.0001Hz,正好在LISA望远镜的设计感应范围内。

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。

也许还有其他检测维度消失的方法。如果大型强子对撞机中粒子碰撞的产物局限在一个平面中,而不是朝各个方向喷射,那这可能就是高能粒子固定在二维世界中的证据。一些研究声明已经在上层大气的宇宙射线碰撞中观测到了这种现象。“这是个绝妙的方法。” 穆雷卡说,“如果基本模型是正确的,维度消失实际存在,那么就会有确实的迹象。”

【案例】

这篇新论文在同行评议的期刊上发表意味着维度消失假设获得了认可和推动,兰茨贝格说,“令我最惊讶的是他们描述了具体的实验结论。这篇文章表明社会终于开始赞赏这种新的思维方式了。”

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。

原文看这里

  1. 量子力学认为,空间在微观层面是疯狂涨落的

科技名博微博

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。

博主介绍: Lisa Grossman 2009年毕业于加州大学Santa Cruz分校,科技交流专业。毕业后,她一直从事科技写作工作,从硕士期间便在Science News等地方做编辑,现在在Wired上开博。她的博客内容涉及面相当广,涵盖各个学科。

【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。

  1. 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。

  1. 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。

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《宇宙的琴弦》脑图

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