組成我們大千世界的最小單元是什么?這是人類一直想弄清楚的問題。早在公元前幾百年,古希臘哲學家德謨克利特,就從哲學思辨的角度出發提出了原子論,萬物是由原子和虛空構成,原子就是組成物質的最小微粒。18世紀,英國物理學家道爾頓,正式提出了科學意義上的原子論。
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經過幾代科學家的不懈努力,發展至今,我們知道了,原子遠不是組成萬物的最基本、最小微粒。原子由原子核與電子構成。原子核又是由質子和中子構成的。質子、中子又是由更基本的夸克所構成。如此搗下去,夸克又是由什么構成的呢?不好意思,以目前的技術水平,夸克已經“到頭”了。諸如,夸克、電子、膠子等等這些被統稱為基本粒子。它們大致可以分為三類,即強子、輕子、傳播子。
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隨著研究的繼續,科學家們先后找到了好幾十種基本粒子,似乎這一套描述組成萬物最小單元的理論,不是那樣的“基本”。有沒有一套更簡潔、更本源的理論來描述物質的組成?的確存在這樣一套優美的理論——“弦理論”。
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其實,早在1968年,科學家們在尋找描述強力的數學公式時,便創立了弦論的雛形。這套理論的基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的處在一維的線狀“弦”,它有開弦與閉弦兩種結構。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質之間是可以相互轉化的。在上世紀90年代,愛德華·維頓提出了集大成的M理論,他認為我們的宇宙除了長、寬、高外,共有11個維度,只是其他維度嚴重卷曲,弦在這些維度的振動才產生了我們的世間萬物。
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用這樣一套離經叛道的理論來解釋萬物的成因,可想世人會如何看待弦論——無視之。當初,描述微觀世界的量子力學剛興起時,好歹還有波爾帶領著哥本哈根學派為了它,與愛因斯坦唇槍舌劍。可是,學界對于弦論壓根就是難得搭理。直到一天,弦論的擁躉用閉弦推導出了引力子。這下學界可炸了鍋了,眾人紛紛轉變態度,開始仰視弦理論。為何引力子會讓弦理論一下子變得炙手可熱,還被譽為“終極大一統理論”?
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“引力子”顧名思義,這種基本粒子就是傳播引力的粒子。我們知道宇宙存在四大力基本力,即引力、電磁力、強力、弱力。而“力”的實現,是需要靠交換粒子的。好比,兩個實驗者,他們穿著溜冰鞋站在冰面上,甲向乙丟去一個小鐵球,乙接住鐵球,會感受到力,并往后滑一小段距離。這個小鐵球便是我們上文提到的傳播子。
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電磁力交換光子而實現傳遞。微觀世界的強力,是夸克之間通過交換膠子而實現的。弱力則是靠w、z玻色子傳遞的。那引力呢?當然是“引力子”。這脫口而出的三個字,卻在證明上舉步維艱,學界經過幾十年的尋找,無論是大型強子對撞機里,或是宇宙射線中,都難覓引力子的芳蹤。
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如今,科學家用現有的量子理論已經可以很好地統一強力、弱力和電磁力了,唯獨引力無法納入其中。但是在弦論中,引力子被成功導出,四大基本力完成了統一。它還有一個重要的意義,就是可以完美地嵌合微觀領域和宏觀世界。雖然,愛因斯坦的廣義相對論很好地描述了宇宙,詮釋了引力。但若是深入微觀量子世界,它就力不從心了。量子力學成功地解釋了微觀粒子那些詭異的行為,但用于宏觀世界卻格格不入。
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弦理論則從更基礎、更本源著手,用一維弦的振動詮釋了宇宙萬物,統合了宏觀、微觀。物理學家幾個世紀的大一統夢想終于有望實現了,僅有一個“公式”就足以描述大千宇宙的運行規律。我們的宇宙原來就是“弦”在空間中演奏出來的宏偉交響曲!
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寫在最后的話,雖然弦理論是當下最熱門的大一統理論。但其目前終究只是華麗的數學技巧,堆砌起來的空中樓閣。以如今的技術水平去驗證弦理論難如登天,據推算,要在對撞機里,撞出“弦”,至少要把對撞機的直徑擴大到整個太陽系才有可能……
(好了,弦理論今天我們就聊到這里,小編才疏學淺,能力有限,文章肯定有許多不足之處,大家姑且一覽,權當消遣時間就好。)
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