通俗科普弦理论和M理论，我们的宇宙是十一维度的？

发布者：贴牌人生 2023-10-17 14:05

弦理论讲述的是什么？如果你在大街上随便采访一个人，十有八九都不了解。即便有了解的，基本上也只是听说过而已，很难比较深入地了解弦理论到底是一个什么样的理论。对于普通人来讲，弦理论太深奥了。

喜欢科幻电影和小说的伙伴们，应该在电影小说里看过关于弦理论的相关故事情节，但一般这种情节都比较烧脑，不太容易理解，特别是弦理论还需要借助一些数学工具才能更准确地描述出来。


弦理论是我们认识世界的一种方式，主要是关于“宇宙万物到底由什么组成的？”。以前人们认为最小的结构单元是原子，后来发现了更小的电子，质子，质子下面还有夸克。但是还有没有比夸克更小的结构单元呢？

目前的科学理论（粒子标准模型）认为，电子，夸克等粒子都是基本粒子，它们是不能再分的。

不过弦理论认为，宇宙万物都是由最基本的弦组成的，弦在不停地振动，就像一根振动的橡皮筋那样，弦理论可以诠释很多种物理学现象。


在物理学上，电子夸克等基本粒子是没有结构的，在数学上可以看作是一个点。但如果是这样，问题就来了：同样的一个点，为什么可以表现为不同的基本粒子？有时候表现出来夸克，有时候表现出来电子或其他基本粒子？

为什么简单的一个点可以表现出如此丰富的物理信息呢？

为了诠释这种问题，在20世纪70年代，一种前沿的理论，弦理论诞生了。根据该理论的诠释，组成宇宙万物的基本单元并不是像夸克电子这样的基本粒子，而是像弦一样不断振动的东西，一维的东西。弦不同的振动模式（比如说振动频率）就会表现出不同的粒子。弦理论刚提出了，就引起了很大的轰动，引起了很多理论物理学家的极大兴趣。


振动的弦，也分为两种形式，一种是开放的弦，称为“开弦”，就像线段一样，有两个端点。另一种是闭合的弦，就像圆圈一样。弦理论认为，传播引力的引力子就是由闭合的弦组成的。

弦理论的诞生具有一定的偶然性和必然性，下面简单说说弦理论诞生的背景。

在弦理论诞生之前（实际上至今仍是如此），科学家们一直渴望找到一个物理学界大统一理论，能够完全描述自然界四种基本作用力（强力，弱力，电磁力，引力）。


通过不断地努力，前三种力，强力弱力和电磁力终于能够统一了，但唯独引力被排除在外，科学家们一直没有找到引力子，目前关于引力子的概念都是一种假设，科学家们并没有在大型粒子对撞机中发现引力子的存在。于是科学家脑洞大开，提出了弦理论（当然过程就不是如此简单，这里只是简单描述），最先提出弦理论的是物理学家韦内齐亚诺。

随着弦理论的发展，出现了不同模式的弦理论，有多达五种弦理论。但我们都知道，描述大自然的理论应该是唯一的，不可能有两个不同的理论去描述大自然运行规律。

到了上世纪八九十年代，一个科学家站了出来，它就是爱德华威滕，创建了史无前例的M理论，统一了之前的物种弦理论。


这里的M道理是什么意思呢？有人说是Magic（谜），有人说是Master，其实这些都不对。M并没有什么非常特殊的物理学含义，它只是威腾的首字母W反过来写而已。

最开始的弦理论必须是严格的九维度空间加上一维时间，这样它才是自洽的，否则就不成立。而M理论则不然，它认为宇宙是十一维度的，十一维度理论是超引力理论，该理论中存在一个非常特殊的解，而这个解的根本并不是一维度的弦，而是二维的膜，就像一张纸那样，一张纸（膜）卷曲到非常微小的程度，就变成了一维的弦。

所以，M理论的提出开启了弦理论的二次革命，认为弦也可能不是自然界最基本的单元，而膜才是最根本的单元。

宇宙 物理 2019未来科学大奖 数学 爱德华·威滕

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