隨著顯微鏡、加速器和望遠(yuǎn)鏡日益強(qiáng)大,我們能夠看到越來(lái)越小和越來(lái)越大的世界。在《最小有多???最大有多大?》一文中,我們從最小的普朗克尺度不斷地穿越到可觀測(cè)宇宙的大小。
當(dāng)我們從肉眼可見(jiàn)的世界一直進(jìn)入到亞原子世界時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn),這些構(gòu)成物質(zhì)的微小粒子有著非常奇怪的行為,它們往往與我們的日常體驗(yàn)相悖。這些粒子的行為和相互作用需要用量子理論來(lái)描述。而在另一邊,星系和宇宙的演化,以及一些極端的天體(如黑洞),則需要應(yīng)用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。
在《現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石》中,我們已經(jīng)介紹過(guò)這兩個(gè)理論。但是,這兩個(gè)理論之間的界限在哪里?我們可以模擬宇宙的開(kāi)端或者黑洞的內(nèi)部嗎?就目前所知,在這樣極端的情況下,所有的物理定律都會(huì)失效。
宇宙中,已知的四種基本力分別是引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力。廣義相對(duì)論是目前描述引力的最好理論,而其他三種基本力則由量子場(chǎng)論描述。物理學(xué)家認(rèn)為,在很高的能量下,這四種力會(huì)被統(tǒng)一到一個(gè)單一的框架中,這樣的一個(gè)理論被稱(chēng)為萬(wàn)有理論。
格拉肖(Sheldon Glashow)、薩拉姆(Abdus Salam)和溫伯格( Steven Weinberg)已經(jīng)成功地在高能下將電磁和弱相互作用統(tǒng)一到一個(gè)叫電弱理論的單一框架中。他們也因此獲得了1979年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)理論所預(yù)言的傳遞弱核力的粒子(W和Z玻色子)在1983年被發(fā)現(xiàn)。
他們的成功讓一些理論物理學(xué)家使一些科學(xué)家相信,或許在更高的能量下,強(qiáng)核力、弱核力和電磁力都可以被統(tǒng)一起來(lái)。這種思想被稱(chēng)為大統(tǒng)一理論。雖然在理論上具有足夠的吸引力,但在實(shí)驗(yàn)上,理論所預(yù)測(cè)的質(zhì)子衰變至今仍未被觀測(cè)到。
○四種基本力的統(tǒng)一。| 圖片來(lái)源:新原理研究所
但是,當(dāng)物理學(xué)家想要把引力也囊括進(jìn)來(lái)時(shí),卻遇到了困難。如果我們?cè)噲D以最顯而易見(jiàn)的方式來(lái)調(diào)和引力和其他力,就會(huì)得到無(wú)窮大。但我們知道,真實(shí)的東西不可能有無(wú)窮大的值。因此,當(dāng)無(wú)窮大出現(xiàn)時(shí),就意味著理論出現(xiàn)了問(wèn)題。
對(duì)于空間中質(zhì)量非常大、但非常小的區(qū)域(比如黑洞內(nèi)部),廣義相對(duì)論就給出無(wú)窮大的解。同時(shí),當(dāng)我們假設(shè)量子場(chǎng)論適用于任意小的尺度時(shí),也會(huì)得到無(wú)窮大的結(jié)果。
其中一些問(wèn)題可能在于支配廣義相對(duì)論的基本原理與支配量子力學(xué)的基本原理不匹配。廣義相對(duì)論告訴我們,空間和時(shí)間不是絕對(duì)的:它們本身也是動(dòng)態(tài)的。相反,在量子場(chǎng)論中,空間和時(shí)間是定義場(chǎng)的固定背景:變量精確地依賴(lài)于它們所處的位置。
此外,我們對(duì)量子力學(xué)的詮釋與我們作為觀察者所扮演的角色是密不可分的。但在廣義相對(duì)論中,觀察者對(duì)理論沒(méi)有影響。
最后,廣義相對(duì)論需要一個(gè)被質(zhì)量彎曲的光滑的空間結(jié)構(gòu)。但量子力學(xué)的不確定性原理告訴我們,沒(méi)有什么是真正光滑的:即使是真空,也必須存在量子漲落??雌饋?lái)這些理論的基本元素是不相容的。
為了解決所有這些問(wèn)題,并讓廣義相對(duì)論和量子理論和平共處,物理學(xué)家在過(guò)去幾十年提出了許多的可能性,包括圈量子引力理論、因果集理論、因果動(dòng)態(tài)三角剖分等。但在所有的嘗試中,只有弦理論最靠近這個(gè)目標(biāo)。
在過(guò)去,我們認(rèn)為這個(gè)世界是由粒子構(gòu)成的。但弦理論卻告訴我們,粒子并不是最基本的:在非常小的距離上,它們像是微小振動(dòng)的弦。這些弦在量子力學(xué)和相對(duì)論都能很好的發(fā)揮作用。事實(shí)上,量子弦很容易產(chǎn)生我們觀測(cè)到的粒子。
盡管弦理論看起來(lái)極其優(yōu)美,但它要求許多復(fù)雜的概念。它依賴(lài)于超對(duì)稱(chēng),并需要假設(shè)存在額外維度。而最令人尷尬的是,目前還沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它是對(duì)的。
盡管如此,物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)豐富的潛在結(jié)構(gòu)。弦理論具有重要而吸引人的對(duì)偶性,出乎意料地將數(shù)學(xué)和物理的不同領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)。而弦本身只是神秘時(shí)空膜的簡(jiǎn)單例子。目前,大多數(shù)的研究都集中在ADS/CFT對(duì)應(yīng)上,但它還沒(méi)有被完全理解。
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原文標(biāo)題:物理學(xué)兩大基石的矛盾
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