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现代物理学的两大支柱，量子力学和相对论，但是它们在极端的情况下会产生无法调和的矛盾，但是为了解决这个矛盾，就需要一种全新的理论，就是弦理论。 那我们就来看看弦理论是如何诞生的 如果要选出一位全世界最出名的科学家，那答案肯定是爱因斯坦。爱因斯坦的最大贡献是相对论，它完全推翻了牛顿的物理学体系，彻底重塑了人类对宇宙的认知。相对论是一个天才的创想，也是现代物理学的两大支柱之一。 现代物理学的另一大支柱叫量子力学，这套理论比相对论更抽象，更违反常识。量子力学的泰斗费曼曾经说过这么一句话，他说：相对论虽然艰深，你是你只要认真度过相对论，就能看懂，但换成量子力学的话，不好意思，没人能看懂量子力学。 相对论和量子力学是现代物理学的根基，是物理学大厦的基础，从宇宙膨胀到组成物质的基本粒子，它两都能解释！ 这两套理论都经过无数次严格的检验，无论实验的精度有多高，相对论和量子力学都能得到证实，屹立不倒，可以说是人类历史上最成功的两大科学成就！ 但问题恰恰就出在这里！作为物理学的基础，相对论和量子力学在根本上是存在冲突的，在某些条件下，这两套理论水火不容，所以不可能同时正确，为什么这么说？ 先来看一看广义相对论 物理学家惠勒曾经用了一句非常简洁的话来概括它：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动”。 在我们传统的认知中，空间是看不见摸不着的，但在广义相对论看来，空间就是一张非常巨大的平滑的膜。你可以想象一下家里的保鲜膜，而且这个膜是有弹性的，如果我们把一颗球放到这张巨大的膜上，膜就会凹下去，在这里膜就相当于空间球，就相当于太阳地球这些星球。 这么一想你就明白了，物质会让空间弯曲，而且物质越重膜弯曲得就越厉害。如果物质的质量很小，这个弯曲的幅度也小，这就叫物质告诉空间如何弯曲。 所以当空间这张膜弯曲后，就会影响物质的运动轨迹。你想一下，假如一张膜凹了下去，那么在上面滚动的小球运动轨迹肯定会受到影响。 在牛顿的物理学中，地球围着太阳转，是因为引力的作用，但牛顿无法解释引力是怎么来的。而广义相对论就提出引力的本质就是这种空间的形变，它影响了物质的运动，所以行星绕着太阳转，就是因为太阳扭曲了周围的时空，影响了太阳系内所有星体的运动，这就叫空间告诉物质如何运动。 明白了这两点，大概你就知道了广义相对论是怎么回事了。 那再来看一下量子力学。 这里主要解释一下不确定性原理，也叫测不准原理。这个原理的核心很简单，就是一个粒子的位置和速度不可能同时被确定。如果他位置越确定，那他速度的不确定性就越高。如果速度越确定，那位置的不确定性就越高。 举个例子，假如有一个很大的盒子，这个盒子里有一个电子，你想把这个电子给抓起来，所以就把这个盒子慢慢往里挤压，越挤越小，这个时候这个盒子在位置上的确定性就变高了。 但这时你会发现这个电子变得越来越疯狂，在盒子里到处乱撞，速度越来越大，行动轨迹越来越难以预料。也就是说它的速度变得越来越不确定，所有的微观粒子如果我们把它限定在一个极小的空间区域内，那这些粒子就会变得越来越疯狂，越来越难以琢磨。 而且不光是位置和速度之间存在着这种关系，能量和时间之间也存在着这种关系。所以如果考察时间足够短的话，粒子的能量就会在短时间内疯狂的涨落起伏。 再根据不确定性原理，即使是看似什么都没有的一片空间，如果我们把视野缩小到电子的尺度，就会发现这里有非常活跃。所以在量子世界里是一个混沌而疯狂的世界。引力场在微观尺度上也会因为量子涨落而波荡起伏，而且我们关注的空间越小，这种起伏就越大。 看到这，相对论和量子力学的矛盾就显露出来了。 在广义相对论看来，宇宙空间就像一张巨大的膜，虽然物质可以使它弯曲，但空间还是很平滑的。但在量子力学看来，宇宙空间在微观尺度上是剧烈涨落的，根本就不是平滑的。 所以在超微尺度上，相对论和量子力学冲突了。这个冲突就是弦理论诞生的背景，是弦理论需要解决的问题。但是在一般人看来，这两套理论基本上都不会冲突。因为这两套理论各管一块领域一般不会发生交叉。 广义相对论关注的是宏观的问题，在分析地球太阳星系这些大质量物体大尺度范围时非常管用。量子力学关注的是微观的问题，在研究粒子的运动这些小尺度的问题时特别管用。 一般情况下他们是相安无事的，但问题是如果我们在一个很小很小的尺度上来进行计算的话，那两套理论就会发生冲突了。这个尺度叫普朗克，长度是1.6乘以10的-33次方厘米，这个尺度有多小呢？ 假如我们把一个原子放大到向整个宇宙那么大，那普朗克长度也就只相当于地球上的一棵树那么高。那你可能会问，这么小的尺度到底有没有研究意义？ 还真有！比如说黑洞的中心，质量极大，尺度极小，或者宇宙大爆炸那一瞬间的宇宙也是质量极大，尺度极小，如果我们要研究这些问题，那相对论和量子力学的冲突就必须得解决。 物理学一路发展到相对论和量子力学这里，终于出现了不能不解决的矛盾，为了解决这个矛盾，就需要一套能够调和他们的理论，在这个背景之下弦理论就诞生了。 如果您觉得相对论和量子力学已经够奇怪了，那等我们到了弦理论的时候再看。 |
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