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长久以来,超弦理论被视为万有理论,很多人把自然规律的大一统寄托在超弦理论上。爱因斯坦在完成广义相对论之后才36岁,可是爱因斯坦一共活了76岁,可以说爱因斯坦在中年以后的40余年内一直致力于大统一理论。可他至死都没有完成大一统理论。爱因斯坦的遗憾后人能否弥补?看来最有希望的还是弦理论了。

我们都知道古希腊时期的自然哲学是近代物理的前身,但那时候我们对自然的勾画还无法摆脱感性经验的桎梏。最典型的例子就是亚里士多德的认识:物体运动的原因在于力的作用。这样的描述在那时候看起来多么的合乎常识啊!

直到伽利略时期,我们才真正用理性事实认知自然,这时候的方法论是实验而不是臆测。伽利略用比萨斜塔实验证明了自由落体的加速度和质量无关,用大量实验否定了亚里士多德的观点。

近代物理起源于开普勒、伽利略等人,奠基于牛顿、胡克等人。牛顿之后,经典力学牢牢统治物理学直到20世纪初,神坛地位维持了两百年之久。在现代物理学之前,人们往往认为牛顿力学是万能的,可以解释上到恒星的运动规律,下到孩童手中的抛物沙包。

直到1900年标志的量子力学和1905标志的相对论兴起,牛顿力学的神坛地位才有所动摇。严格来说牛顿力学已经被这两大理论远远超越了。 牛顿力学不能解释的微观世界托付给了量子力学,牛顿力学不能解释的高速世界托付给了相对论。牛顿力学虽还能解释的低速世界,但相对论可以的更详细。只不过考虑到学习的难易程度,我们在低速宏观领域依旧选择了牛顿力学。

可以说,量子力学和相对论联手把牛顿力学的“帝位”给篡了。可是这两家理论并不是完全兼容的。

相对论又分为狭义相对论与广义相对论。简单来说,狭义相对论没有解释牛顿力学中的万有引力现象,而广义相对论弥补了狭义相对论的缺失。

量子力学描述了原子级别和次原子级别粒子的运动规律,其实微观领域的粒子们运动速度大多数情况都处于高速状态下。比如中微子,核外电子,高能粒子流等。

而量子力学对这些高速运动的粒子规律描述,就必须需要测量他们的位置,动量,时间信息。高速运动的粒子时间肯定是膨胀的,量子科学家们这时候就必须引入狭义相对论来解释这样的现象。比如宇宙射向地球的μ介子在高速运动下的寿命就增加了。可以说,量子力学中的高速运动粒子的时间膨胀值可以引入狭义相对论加以修正。

其实量子力学和狭义相对论是没有矛盾的,其矛盾体现在广义相对论

广义相对论由于用更本质的思维勾画了引力而使相对论的名声鹊起。其认为引力的本质是时空弯曲的体现,引力通过场作用于物质。

量子力学和相对论的百年矛盾!超弦理论能否使其化干戈为玉帛?

在量子科学家的眼里,自然界的作用力无非就是四种:强相互作用,电磁作用,弱相互作用,还有引力。而量子力学和相对论的矛盾就在引力上,因为引力用量子框架很难解释。

我可以发问:原子核中的质子和中子凭什么可以被牢牢束缚在一起而组成原子核?肯定有一种很强大的力拉着它们,这个力被科学家称为强相互作用。那么谁来充当强相互作用的中介粒子呢? 这种粒子就是胶子。而弱相互作用力也有一个中介粒子,这种粒子就是Z和W玻色子,用来传递弱相互力。

在量子力学中,科学家总有一种思维惯性,那就是不管是哪一种力,力的作用就需要一种特定对应的中介粒子,这种粒子说白了就是干活的小兵。一种力要作用于另一个物质,不能凭空想象我作用到了你,而是需要一个具体干活的粒子来执行这种力的传递。这种传递力的粒子可以称为玻色子。

我们现在知道了,强相互作用靠胶子,弱相互靠Z玻色子(还有W玻色子…),电磁作用靠光子。那么引力靠什么?我们可以异口同声的回答:“靠引力子啊”。

可现在的问题是:引力子在哪?我们一直找不到它。量子力学的一个分支粒子物理或者高能物理看起来已经很“高端”了。

粒子物理甚至已经知道了某些粒子的质量来源于上帝粒子,也就是希格斯玻色子。粒子物理认为,某些粒子的质量得益于希格斯场导致的对称性破缺。举个例子,原子之所以不带电,在于原子核的正电和核外电子的负电抵消了,这是一种对称平衡。原子之所以表现出了电性,是因为这种对称性被破坏了,例如核外电子逃逸了几个,这时候原子的电性就体现出来了。

量子力学和相对论的百年矛盾!超弦理论能否使其化干戈为玉帛?

粒子物理认为宇宙中充满了希格斯场,希格斯场靠希格斯玻色子作用于其他粒子,而某些粒子在希格斯场中会把未知的对称性打破,之后才呈现出质量的属性,比如传递弱相互作用的玻色子就是依靠希格斯场获得的质量。如果没有上帝粒子将导致一些玻色子失去质量,继而引起蝴蝶效应。万物可以是如今生机的样子也得益于希格斯玻色子,就好像上帝的恩惠一样,所以希格斯玻色子被称为“上帝粒子”也不为过了。

但也有粒子不屈服于上帝粒子的鞭挞,那么这种粒子就没有质量,现在我们知道静止的光子是没有质量的,还有胶子。

量子力学和相对论的百年矛盾!超弦理论能否使其化干戈为玉帛?

即便粒子物理那么热闹,但都和引力子显得没有关系,我们不知道引力子会被希格斯场影响吗?我们甚至都不知道引力子是否一定存在?

量子力学和广义相对论的矛盾本质也就是量子力学无法解释引力,引力子无法被纳入到标准粒子模型中。其实这些问题在超弦理论那里并没有多少大碍,因为超弦理论认为量子力学之所以无法纳入引力是因为量子的尺度还不够小。弦论认为在更小的领域万物都是一样的,粒子种类的千变万化在弦尺度只是弦的不同形式的振动而已。如果我们可以了解弦的振动规律那么我们就可以从更微观更本质的领域解释量子力学和广义相对论的矛盾!

量子力学和相对论的百年矛盾!超弦理论能否使其化干戈为玉帛?

弦理论发源于1968年,经过40年的进化出来和超弦理论和M理论。弦理论由于缺乏实验验证一直被诟病,甚至有人认为弦论只是无用的数学伎俩。

弦理论可以很好的预测黑洞辐射行为,但最近在解释暗能量的稳态上失算了。甚至有人已经开始将超弦理论装入棺材,超弦理论再一次受到了质疑。但不管怎样,弦论一直在发展。无论弦论的命运如何,我们都不应该鄙视它,因为这是人类在探索大一统理论路上的积极力量!

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