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对“超弦”理论我们应该抱有怎样的期待

时间:2023-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:如今人们正在研究一条线索,即超弦理论。超弦理论尝试超越量子物理学和广义相对论的范围,在这里粒子不再表现为没有维度的物体,而是细长的物体——超弦——在超过四个维度的时空中振动!更确切地说,超弦理论将我们所知的所有点状粒子替换为唯一一种可展开的物体:超弦,它在比普通时空多出六个维度的时空中振动。超弦理论目前没有提出任何可检测的预测,想要确认或取消这一美好的构想,我们还得依靠实验结果来说明。

如果你的弓有许多弦,那么它们会相互扰乱,而你将不再能瞄准。

——儒勒·列那尔


今天许多物理学家认为对于标准模型进行必要的完善只能通过修改对基本物体的表达,以及修改对时间和空间的表达。

如今人们正在研究一条线索,即超弦理论。超弦理论最初的基础在1970年代提出,这一理论的目的是建立一个整体框架以同时囊括描述了基本粒子的量子物理学,和描述了引力作用的广义相对论。我们在前文已经看到,量子物理学和广义相对论的确从概念上来说是不能兼容的:量子粒子的时空是平面的、绝对的和不易弯曲的,而广义相对论的时空却是易弯曲的、动态的,这类时空总是被它所包含的物质的运动改变形状。

超弦理论尝试超越量子物理学和广义相对论的范围,在这里粒子不再表现为没有维度的物体,而是细长的物体——超弦——在超过四个维度的时空中振动!更确切地说,超弦理论将我们所知的所有点状粒子替换为唯一一种可展开的物体:超弦,它在比普通时空多出六个维度的时空中振动。超弦可以是开弦,即有两个定死的端点,或闭弦。超弦不同形式的振动对应了可能存在的不同粒子:一种形式对应电子,另一种对应中微子,第三种对应夸克……

通常的粒子,即我们所知的粒子,对应的是频率最低的振动方式。其他更重的粒子对应的是频率更高的振动方式。它们还在等待我们的发现(如果它们真的存在的话!)。

超弦理论目前没有提出任何可检测的预测,想要确认或取消这一美好的构想,我们还得依靠实验结果来说明。但是如何能够凸显这些与时空存在额外维度相关的新物理现象呢?几年前,物理学家们设想额外维度的大小只能是物理学所能描述的最小的长度,即“普朗克长度”,约为10-35米。在这种情况下,在这些额外维度之一里发生的任何物理现象的表现,似乎都远远超出我们目前所拥有的观察工具所能观察到的范围,包括最强大的粒子加速器。在10-19米量级上,LHC只探测过各自带有7TeV(1TeV是1012电子伏特,即1.6×10-7焦耳)的两个质子束的对撞。这样的距离,是普朗克长度的1016倍,想要通过LHC观察任何超弦存在相关的影响,都还相差甚远。至少在很长时间内我们都是这么认为的。

然而,1996年,平地响惊雷:物理学家们相信额外维度的大小实际上是超弦理论的自由标准,所以应该没有任何理由将之固定为普朗克长度。自此,某些理论家们则热衷于它应该可以在10-19米量级上的想法。如果他们是正确的,那么与空间的额外维度相关的某些影响就可能通过LHC探测到。

[1] 在宇宙学里,暗物质是指无法通过电磁波观测进行研究、也就是不受电磁相互作用影响的物质。人们目前只能透过万有引力产生的效应得知暗物质,而且已经发现宇宙中有大量暗物质存在。

[2] 超新星是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。

[3] 随着时间变化天体的亮度也会发生变化,将这种关系呈现在二维坐标(横坐标度量时间,纵坐标度量亮度)中,我们就得到了光变曲线。

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