相对论、量子、弦物理学的尽头

发布时间：2023-03-14 14:19:07 所属栏目：外闻来源：

导读：俗话说，“人无远虑，必有近忧”，表面上看，经典物理学大厦经过300多年的建设确实非常完美，但是依然有两朵乌云飘在上空，这两朵乌云就是非常著名的“黑体辐射”与“光速不变”。这两

俗话说，“人无远虑，必有近忧”，表面上看，经典物理学大厦经过300多年的建设确实非常完美，但是依然有两朵乌云飘在上空，这两朵乌云就是非常著名的“黑体辐射”与“光速不变”。这两朵乌云是英国物理学家开尔文提出的，可见老爷子的预感很有先见之明，没过多久，“黑体辐射”问题就像一把打开藏宝洞的钥匙，开启了量子力学理论，而“光速不变”则像另一把钥匙，打开了相对论的大门。

1、相对论

相对论是一个比较单独的理论，主要讨论时空的问题，狭义相对论（Special Relativity）讨论平直时空，不考虑加速度和引力的因素，运动也是讨论惯性运动，没有加速运动。狭义相对论得出的结论非常骇人，即：时间膨胀、尺度缩短、质量增加，而这些结论与我们的日常生活经验大相径庭，所以对很多普通人来说很难理解，以至于相对论在很长时间内都不能被大众接受，别说普通人，即便是专业的物理学家也有很多人难以理解，不过倒是因此而受到了很多科幻小说和科幻电影的青睐，各类天外来客神秘题材的时空穿越越来越多的神秘主题的剧可以说近些年来是层出不穷。

而广义相对论则是讨论弯曲的时空，由于大质量物体的存在，比如太阳就会让周围的时空产生弯曲，而时空的弯曲导致了引力，也就是说引力并不是一种真正的“力”，而是一种时空的“几何效应”，这个结论是惊人的，这与其它三种力：弱力、强力、电磁力完全不同，这三种力都需要玻色子来传递力的作用，而引力则不需要，因为它只是几何效应而已。从后来量子力学的结论来看，传递其它三种力的玻色子都找到了，弱力是靠W+、W-、Z0这三种玻色子（Boson）来传递弱力，电磁力则依靠光（Photon）来传递，强力则依靠胶子（Gluon）来传递，唯独传递引力的引力子（Graviton）一直没有被找到，答案是很简单的，如果广义相对论是正确的，那么引力就是几何效应，既然是几何效应，自然没有引力了，而且事实又证明广义相对论确实是正确的。

2、量子力学

在量子力学之前，人类对微观世界的认识止步于分子、原子，更加细微的结构和物理规律则知之甚少，但随着各种微观结构逐一被解构，电子、质子、中子、介子，甚至更细微的夸克，以及用来传输作用力的玻色子都被发现，整个微观世界的面貌非常完整地呈现在人类面前。量子力学也逐步发展出更进一步的量子场论（QFT）、量子电动力学（QED）、量子色动力学（QCD）等分支，这些理论仔细描述了微观粒子之间的力学规律。

基本模型（SM）囊括了我们对物质构成的所有理论和知识，统一了四种力中的三种，即：强力、弱力、电磁力，所有的物质构成及规律都被放进去了，所以基本模型也被称为统一理论，但是事实上，基本模型距离最终的统一理论还有非常遥远的距离。至少，统一理论仍然没有把“引力”统一进去，与描述引力的广义相对论也没有融合，但是，弦理论的出现又给统一理论带来了希望。

3、弦理论

弦理论的来源与别的理论很不一样，相对论、量子理论都是从物理现象出发，比如量子力学从黑体辐射出发，相对论则是爱因斯坦对光的现象进行了深入思考得出的结论，所以这两大理论都是从物理现象出发，从而得出理论，其中的数学公式只是作为解决问题的工具，而不是出发点。弦理论则有很大的不同，它的出现是从一个纯粹的数学公式出发，在1968年有一位叫Gabriele Veneziano的物理学家在翻阅一本老旧的数学书时，发现了200年前大数学家欧拉的一个古老公式，比较适合用来描述强力，虽然也引起了很多关注，但是“弦”并没有产生太大的轰动效应，直到1974年，朱勒·谢尔克和约翰·施瓦兹发表了一篇论文，指出弦理论可以描述引力，大家就觉得这件事情有些不同寻常了，如果仅仅是一个描述强力的理论，倒也不稀奇，现在连引力都可以描述了，那就说明这个理论有希望成为最终的大一统理论，所以有很多人都开始研究“弦理论”了。

在弦理论中，物质粒子是由弦振动产生，而这样的弦具有长度却无高度和宽度，就像一段无限细的弦（string），而且是11维的，其中7维被蜷缩起来看不到，就像绳子一样缠绕在一根根弦上，其余4位是长、宽、高和时间。这些弦可以有端点（所谓的开弦），它们可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦），这些弦不仅构成了物质粒子，也构成了四种力，也将引力囊括其中，而且空间维度、时间维度也被包括了，确实是非常像一个大一统的理论。

首先就是弦理论的出身问题，它出身于数学，而不是对物理现象的思考，这是弦理论与其它各种物理理论的最大区别。

其次，弦理论到目前为止，只能是存在于一种“理论”当中，所有的研究只能基于“数学推导”，无法进行实验验证，这个确实是非常要命的

最后，难以验证。弦理论还有一个神奇的特点，就是每一根弦都是多维的，比如一根弦上有11维，如何来验证这些维度呢？这需要巨大的能量也许才能验证，欧洲粒子物理实验室里大型强子对撞机创下的纪录是14T ev左右，即14万亿电子伏特，但是这个能量距离验证弦理论的大一统能量依然差了十几个数量级。

也就是说，物理学走到弦理论，已经是一种数学理论了，而不再是一种物理理论，道理很简单，物理是一门实验的学科，需要实验验证，怪不得爱德华.威腾获得了菲尔兹数学奖，而不是诺贝尔物理学奖。到目前为止，每年的诺贝尔物理学家依然是颁发给量子理论或者相对论的研究成果，而不是弦理论。这是因为弦理论的发现需要大量的数学工作，而诺贝尔奖的评选标准是基于物理学家的贡献，所以弦理论并不是一个重要的奖项。

（编辑：汽车网）

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