《宇宙的琴弦》(5) 宇宙终极理论:弦理论的提出

1984年,格林和施瓦兹提出了弦理论,这个革命性的理论修正了我们对宇宙超微观世界的理论描述,随着一批批物理学家的前仆后继,使得该理论和爱因斯坦的相对论和量子力学相容了。但弦理论的出现并不是一帆风顺的,它经历了两次作者称之为“超弦革命”。



第一次是发生在1984年到1986年,是“第一次超弦革命”,在那3年里,全世界的物理学家们为超弦理论写了近一千多篇研究论文。弦理论被誉为当地最伟大的理论之一,但此后又经历了一系列质疑和低谷。

第二次是1995年,惠藤在南加利福利亚一次物理学大会上发表演讲,提出了一套新的方法,有望克服以前所遇到的理论障碍,全世界的超弦理论家们又一次看到了希望的曙光,我们称之为“第二次超弦革命”。

弦理论有几个基本理论:

1:宇宙的基本构成要素不是点粒子,而是像细橡皮筋的上下振动着的唯一丝线,各种不同的粒子只是这个线圈的不同振动模式。

2:宇宙中所有的物质和里都来自于这种振动的线圈,我们称之为:弦,它非常非常的小,平均大约是普朗克长度的尺寸,大小是原子核的一万亿亿分之一(小数点后19个零)。

3:弦是构成宇宙万物真正的“原子”,可以称之为“基元”,比它再小的物质已经没有什么意义。

弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈,粒子的能量就越大;振动越轻柔,粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象:当我们用力拨动琴弦时,振 动会很剧烈;轻轻拨动它时,振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理,能量和质量像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现:大能量意味着大质量,小能量意 味着小质量。因此,振动较剧烈的粒子质量较大,反之,振动较轻柔的粒子则质量较小。

依照弦理论,每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成,而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙,就像一支伟大的交响曲。

在量子理论中,每一个粒子还具有波的特性,这就是波粒二象性。现在我们明白了,粒子的波动性就是由弦的振动产生的。

物理学家还发现,弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间,一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。      这里又涉及到了四种基本力。

宇宙中存在着各种类型的力,是它们把散沙般的基本粒子结合在一起,组成了各种各样的物质,并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力:引力、电磁力、强力和弱力。        这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引,两个有质量的物体间就存在引力,物体的质量越大,引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的,一个 粒子可以带正电荷,或者带负电荷,同性电荷相斥,异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷,则不受电磁力的影响,不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克 结合在一起的力,所以也叫核力。像电磁力一样,也起源于电荷,不过只是夸克间的电荷,物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推 和拉的效应,像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。

四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说,假定以电磁力的强度为一个单位强度,则强力要比这个单位大出100倍,弱力只有 1/1000,引力小到几乎是可以忽略不计的:在微观世界中,它只有电磁力的1040分之一!从作用范围上来说,引力的作用范围是宇宙范围的;电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远,但实际上,大多数物体正负电荷相互抵消,其外部都呈电中性;而强力和弱力的作用范围则极小,只能在粒子范围内发生作用。

这四种强弱悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。

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