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物理学终极理论的希望之所(科普知识)10

 钟家台 2019-05-10

2、超弦,统合四种自然力

1968年,超弦理论被意外发现。当时,两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心(CERN)意外发现19世纪数学家欧拉完成的欧拉贝塔函数,竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。

弦论可以用来描述引力和所有基本粒子,如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式,正如小提琴上的弦

所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。

每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10E -33厘米)。

按照超弦理论,粒子并非是宇宙的基本元素,物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深,可以解释所有的自然基本定律。

简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海,那么基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐!弦,是能够储存大量数据的最精简的方式之一。

超弦理论,以及在其基础上发展起来的弦场理论,统合了所有的自然律和作用力,菲尔兹奖章(诺贝尔奖没有设立数学奖,菲尔兹是数学界的最高奖项)获得者威藤说:“所有物理学上的伟大思想,都是超弦理论的副产品。”

3、神秘天才“拉马努金”,确立十维宇宙

超弦理论似乎包含了所有的物理学知识,极其广博精深。许多科学家认为这是21世纪的物理学,意外落入20世纪,但人类还没有发明21世纪的数学来精确描述它。

解开这个秘密的,是堪比当年黎曼的另一位数学天才拉马努金。他发现了一个重大秘密:我们只能在二十六维与十维中定义弦论,否则就无法用弦论整合已知的物理定律。

生于1887年的印度,少时坎坷,甚至没有通过升高三的考试。26那年,他给著名数学家哈代写了一封信,信中包含了120个定理。这位贫穷孤立的印度哥们,完全不知道欧洲数学界的任何研究资讯,纯粹凭个人才智、按照自己的方法,重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律。

拉马努金的研究成果包含了三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数Ramanujan funcation),这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说,产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,它的维度数一定是十!

好吧,我们暂且认为,拉马努金这位天才给了超弦论数学解释。

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