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什么是弦理论?我怎样才能获得一个关于弦理论的清晰概念?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-12-18 09:24:31

首先,让我回答“什么是弦理论,它的目的是什么?”

本质上,弦理论(ST)是一种量子引力(QG)理论,基本上意味着一种将爱因斯坦的相对论与量子力学(QM)联系起来的方法,从而将第四和最后的力(重力)纳入QM中。


那么,到底什么是相对论和量子力学呢?


量子力学是研究量子尺度下的世界的物理领域,这意味着只观察几个粒子(例如电子和光子)。量子力学观察到很多奇怪的事情,包括基本粒子可以同时表现为粒子和波(更正式的说法是粒子-波二象性)的想法。

什么是弦理论?我怎样才能获得一个关于弦理论的清晰概念?

相对论是爱因斯坦在量子力学的同时提出的引力理论。广义相对论(GR)研究时空和引力的构造,而狭义相对论(SR)研究特殊的条件和场景,比如长度收缩(物体以接近光速运动,而它的长度实际上缩短了)。

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那么,为什么这两者需要结合起来呢?因为它们并不是一起工作的。相对论描述的是引力的宏观作用,而量子力学描述的是最小的粒子和其他三种基本力(电磁力、弱核力[形成重原子核的必要条件]和强核力[将质子和中子结合在一起形成原子核])。问题是,你不能让重力玩到量子力学,这里的问题是,QM点粒子(粒子强),所以你得到各种各样的无穷和/或零距离,你不能明智地讨论相对论和引力。


现在,让我们进入弦理论


从历史上看,ST是用来描述强子(粒子的一种)之间的关系,但量子色动力学(QCD)更好。关于ST,有一个很重要的事情,那就是它有一个质量为零的粒子和两个单位的自旋,也就是引力子(一种携带引力的理论粒子)。但这并不是那么神奇,因为量子场论(QFT)也可能有引力子,否则就没有多大意义了,因为粒子是点。但是,我们在ST中不讨论点状粒子,我们讨论一维弦,所以ST的工作是将引力纳入QM!


那么,到底什么是字符串呢?


好吧,就像我之前提到的,它就像QM点粒子,除了它的一维能量弦在大小上接近普朗克尺度(非常小,大约10^-33厘米)而且弦可以开也可以闭。弦也会振动,据说由于弦上的张力,弦会产生兴奋。

这有点像吉他弦,但只是一个粗略的类比,你的弦是在开放空间中。

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我想这对弦来说已经足够了,让我来说明一下弦理论的变化

总共大约有5种常见的ST变异(玻色子ST通常被认为是有缺陷的,特别是对于一个速子粒子的存在[一个具有假想质量的粒子]),包括:I型、IIA型、IIB型、HO型和HE型。

我实际上不想再多说了,因为我们在这里不讲技术,但我想我应该提一下,有很多不同的弦理论。此外,还有超级st和m理论(基本上是所有有效的STs的高潮)。


我们现在讨论额外维度怎么样


好吧,在20世纪之前,我们认为我们生活在一个3D世界里,我们对此没有意见,但我们错了。在20世纪早期,爱因斯坦通过相对论证明了我们有第四维,时间维度。为什么?因为数学和物理需要它,因为我们已经观察到相对论效应。

那么ST呢?同样的事情。事实是,简而言之,ST是大量的数学与一些物理概念的混合,所以答案通常是“数学需要它”。有多少维呢?嗯,嗯……视情况而定。Bosonic ST说26,但我们认为那是错误的,所以我们将会有两个更可能的选择:10或11。STs和超弦理论(SSTs)要求10个维度,而m理论要求11个维度。

那么,为什么我们看不到其他维度呢?我们一般有两种想法

紧凑的尺寸。这里有一个对ST压实每次都非常有效的类比:假设有一个花园软管,从很远的地方。看起来1D,不是吗?为什么,是的!它看起来像一条线!现在,靠近一点,它有多少维?它现在看起来像2,因为你看到软管也有高。现在,非常靠近软管,现在你看到所有的三维空间!这个类比总结了ST compaction的目的。

膜(膜的简称)是另一种解释。也许,我们只是孤立于其他6-7维空间之外,被困在我们这个3+1维的“孤岛”(实际上是膜)上。宇宙中我们这部分的物体仅仅局限于此,我们不与其他膜相互作用,因此看不到额外的维度。


现在是核心内容,多元宇宙


你知道最无聊的是什么吗?我已经告诉过你了。如果我们生活在d膜上,而其他6-7维是我们无法到达的,那么他们可能有其他的宇宙,甚至可能有不同的物理和自然法则。

这并不是什么新鲜事,量子力学对可能存在的多元宇宙也有类似的解释。

所以,是的,ST(在这个问题上的& QM)允许无限的多元宇宙具有疯狂的可能性。

什么是弦理论?我怎样才能获得一个关于弦理论的清晰概念?

对泡沫多元宇宙的消极概念化——同样,这只是作为直觉和想象思维的视觉。

哦,还记得我说过有很多数学问题,所以我们只用类比和抽象。例子:

什么是弦理论?我怎样才能获得一个关于弦理论的清晰概念?

所以,为了清楚起见,让我们重述一遍
 
  • 相对论是爱因斯坦关于时空和万有引力的理论,而量子力学则是在很小的尺度上研究其他三种力的理论。然而,将引力引入量子力学是困难的,直到弦理论出现。
  • 弦是非常微小的不可观察的弦,它有环状或非环状(开放或封闭的弦)能量,可以振动。
  • 弦理论以及它的兄弟超级弦理论和m理论都试图将引力引入量子力学,并建立一个量子引力理论(以便每种力都能得到充分解释)。
  • 弦理论建立在复杂的数学物理基础上,有很多抽象的概念,因此依赖于对直觉的拙劣类比。
  • 弦理论说,维度比我们想象的要多,可能有10个或11个,它们要么被压缩要么隐藏在另一个膜上。
  • 弦理论也留下了多元宇宙的可能性,因为我们可能被困在我们的3+1维膜上,但其他宇宙(即使有不同的自然法则)可能存在于其他膜上的其他维上。
  • 量子力学也尽可能地保留了多元宇宙的概念。


弦理论(包括超弦理论和m理论)的现状


弦理论在物理学上有重大突破的潜力,但到目前为止还没有真正做到。关于验证这一理论还有很多大问题,因为测试或实验弦理论的方法并没有那么多,大多是纯数学。

弦理论并不是唯一的想法,我们还有环量子引力和其他有趣的话题,可能比弦理论更好。

然而,弦理论是有趣的,有趣的,非常技术性的,可能的,并且是目前为止最好的想法之一(如果不是,那就是最好的),所以我喜欢它!


总结


虽然我希望你们现在理解了弦理论是多么有趣、复杂和有趣,但这离你们实际学习它还有很长的路要走。我建议你真正地学习理论和数学,并且从基本的物理开始。

这只是我的建议,因为你似乎有兴趣,你可以通过做我提到的这种事情学到更多的东西。

还需要指出的是,我在弦理论中排除了很多想法和主题因为看起来你不想要对超对称性的完整描述和大量的技术材料,你想要理解核心概念和类比。
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