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万物理论到底是干嘛的啊?为什么物理学家们找它找得这么痛苦? | 周末之选

 钰鉴咖 2018-04-21

本文由公众号 “把科学带回家” 提供
给孩子最好的科学教育



万物理论到底是个什么东西,为什么那么多物理学家都在找它?

弦论又是什么,为什么大家说它可能是万物理论呢?

如果弦论这么厉害,为什么还没有打败爱因斯坦的相对论呢?

今天我们来了解一下。


为了解释世界上的万事万物,人类创造出了各种各样的理论。通过和事实进行比对,我们会排除那些不靠谱的理论,保留那些能解释更多现象的理论。


这个思路听起来不错,但是,这个世界奇怪的一点就在于,当你懂得越多的时候,你就会发现事情远比你之前想象的更复杂。


为了解释更加复杂的真相(或者说我们对世界更加复杂的认识),就出现了许多反直觉反常识的理论。


弦论就是其中之一。


简单地讲,弦论是一种粒子理论。


什么是粒子理论呢?



就比如目前的教科书教我们,物体是由粒子构成的。比如你是由细胞构成的,细胞是由蛋白质啊无机分子啊等分子构成的。


分子呢又是由原子构成的。



在人类的历史上,我们一度以为原子就是世界的终极基本结构。但是后来相互碰撞的原子又曝光了一些更小的物质。所以后来人们开始意识到,原子还可以分割成电子、胶子等基本粒子


然后就开始出问题了。


原子内的基本粒子太太太小了,我们没办法按照正常的思路观察。


什么叫正常的思路?就是用光啊。



比如你观察一只鸭子的时候,是光先打到鸭头鸭屁股上,获得了鸭子的一部分信息,然后再弹到你的眼睛里,把信息传递给你,使你看到鸭子。



换句话说,所谓的“看见”实际上是光和观察对象的一种互动。当观察对象很大的时候,光对它就没什么影响,可是如果观察对象很小呢?比如,比光还小呢?


我们知道,光是一种电磁波,如果观察对象太小了,比电磁波的波长还小,那么它就有可能打不到对方。



如果把光的波长变小似乎可以解决这个问题。但是,波长变小的电磁波的能量会变大,这样高能的电磁波打一下微小的粒子,粒子就可能被弹飞。


因为这个原因,我们没有办法准确地测量基本粒子,这就是海森堡不确定性原理,量子物理学的基本框架。


所以目前我们“看到”的基本粒子实际上是一团模糊不清的云雾,我们只知道基本粒子就藏在这些“云雾”里。



那么,如果我们无法精确测量基本粒子,那又怎么知道它们长什么样、有什么性质呢?


这就是点粒子模型要脑补的问题了。物理学家们假设这些基本粒子是一个点,比如把电子想像成带电荷有质量的一个点,然后再建立数学模型描述它们的活动。



这就是量子场论在干的事。这个理论能解释许多物理现象,用它来解释实验数据的精准度非常高。有多高呢?


高到0.0000000000002%。


由于量子场论对现象的解释性非常强,即使基本粒子不是一个点,量子场论构造的世界也非常接近真实了。所以目前物理学中的标准模型就是建立在量子场论之上的,许多科技也是基于标准模型,比如磁悬浮列车还有强子治疗。



听起来不错啊,那我们就全盘接受标准模型吧!


且慢!


听说过爱因斯坦吗?爱因斯坦有话说。


在量子力学里,所有的力,包括重力都是基本粒子产生的。但是爱因斯坦的广义相对论说,重力和别的妖艳的力不一样,它不是粒子产生的,它就像粒子表演的舞台,而且本质上是一种几何啦!


所以物理学目前因为重力的问题产生了分裂。如果能解决这个问题,我们就有了能够解释万物的理论——万物理论,一统物理的天下了!


这就是弦论诞生的原因。


搞弦论的人说,基本粒子不一定是一个点哦,有可能是一条条弦变哦!



弦论说各种基本粒子其实就是弦的各种不同振荡模式啦。就好像小提琴弦的不同振动可以产生不同的音调一样,弦的振动可以产生基本粒子。


然后这个弦论也可以解释重力和宇宙中所有的基本作用力。


听起来太刺激了,那我们就接受弦论吧!


桥豆麻袋!


弦论的确很美好,好像就是传说中的那个万物理论,可是它有个致命的弱点,那就是——


弦论需要10维的世界才有用,但是我们的世界只有三维空间加上时间一共四个维度,所以目前弦论还是没法应用到我们所在的世界里。


所以为什么弦论还没有被封杀?


是这样的,虽然从物理上看弦论没有办法解释我们所在的四维世界,但是它用到的数学推导是货真价实的。


用弦论里的数学可以解决很多问题,所以弦论还是很有用的,就和点粒子模型一样有用。


物理学家和数学家们也正在积极地修正弦论,让它能够应用到我们所在的世界。革命尚未成功。


如何获取视频版?


中文字幕。


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