弦论和多维空间 18

本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第18篇

--本文较长，预计阅读7min--

接上一篇！

为了解决上述问题（第17篇里的问题），物理学界开始出现一种很玄乎的理论——弦论。

今天我们再次谈谈弦论，我们之前浅谈过一次，点击下面的链接可以查看。

今天我们再深入挖掘下....

对于弦论，刚开始参与的人不多，别人觉得他们装神弄鬼的，但后来反转了，越来越多的人参与进去。

为什么？

因为它能导出引力子。

弦论，是个啥玩意儿，听着挺邪乎。

首先看看构建弦论的科学家是以什么为出发点的。

各种物质都是由原子构成的，原子是由原子核和电子构成的，原子核中是质子和中子。

后来发现，质子和中子又是由夸克构成的，还有传播子，就是刚才说的传递四种力的四种粒子：传播电磁力的是光子，传播强力的是胶子，传播弱力的是W及Z玻色子，传播引力的猜测是引力子。

这样一来，大自然还是不统一，基本粒子有很多：夸克、电子、光子、胶子之类的，能不能把这些不同的子统一到一种基础上去？

也就是说这些不同的基本粒子，不过是一种更底层的“东西”的不同表现而已？

这个更底层的“东西”是什么呢？大家都没见过。

重点来了....

缔造弦论的科学家认为：它是很小很小的弦，这些弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，夸克、电子、光子等等，一律都是弦。

弦论后来结合了超对称理论，成了升级版的超弦理论。

超弦理论认为，万物皆弦，同样一根弦，这样振动是电子，那样振动是夸克，又一种振动又是另一种夸克，这几个夸克弦勾连起来，就是中子，那几个夸克弦勾连起来就是质子；

中子和质子的组合就是原子核，原子核与电子组合就是原子，原子与原子组合就是宇宙万物。万物皆弦！

就连四大力也是弦。传播力的无非是光子、胶子、玻色子、引力子，也都是那根弦的不同振动而已。

让我们再欣赏一下弦论的风采！

每一个基本粒子都是一根细细的琴弦，它们可以打开两端形成开弦，也可以闭合两端形成闭弦。

当你拨动它的时候，它就奏出了不同的音调，这些不同的音调就是不同的基本粒子。宇宙就是无数振动的琴弦所构成的，是一个庞大的交响乐团，时时刻刻都在奏响着伟大的乐章。

过去我们困惑于粒子为何具有波动性，现在明白了，粒子本来就是琴弦，它怎么能够不波动呢？

或许你又困惑于不同的粒子为何有不同质量，超弦理论再次告诉你，琴弦振动得越厉害，粒子的能量就越大；振动得越温柔，粒子的能量就越小。

能量和质量根据质能方程 E＝MC²。

就是一回事儿，所以能量大的粒子质量就大，反之就小。

这个弦本身没有宽度，所以是一维的，但它在时空中的运动轨迹极度复杂，以至于我们人类所生活的四维时空根本就装不下它；

它耍大了，咱们的四维时空庙太小，人家需要更广阔的空间，更高的维度。

三维空间加上一维时间，就能刻画出我们世界中任何一个物体的运动轨迹。

提示一下，这里不用再考虑时空弯曲了，因为我们在这里抛弃了爱因斯坦的理念，这里是平直的时空。

大家可以想象，弦的不同运动模式要构建出不同的基本粒子，其运动复杂性绝对不是四维时空所能罩得住的。

正如我们趴在地面上，匍匐前行，二维空间足矣，但如果连蹦带跳，跳着蒙古舞，二维空间就容不下了，必须三维空间。这弦之震动的复杂，超出了大脑想象，需要十维时空才装得下它的运动。

如果你非要问为什么是十维，不是二十维，我就原原本本告诉你：这是数学方程计算出来的结果。

有人肯定会说，我怎么看不到那个更高的维度呢？我只能打比方来解释：比如一根水管，远看像一条线，我们认为是一维的，但近看发现，水管还有自己环状的表面，所以它是二维的。

因为水管环状的维度卷缩了起来，所以远看的时候发现不了。十维时空也类似，有六个维度卷缩了起来，我们看不到，仪器也看不到。

但有人非要在脑海中构想出一个十维时空的画面，这只能是自寻烦恼。我敢保证，连爱因斯坦、霍金也是想象不出那个画面的，为什么？还是那句话，我们都是人，超越不了。

这个超弦理论的提出者为何要引入高维度的时空结构呢？就是为了搞大统一理论，把不同的粒子、不同的力统一到同一个因素——弦当中。为什么高维度就容易统一呢？

想象一个轮胎，我们沿着直径截取，或者说切上一刀，在这个横截面上就会出现两个圆圈。仅仅从横截面来看，这两个圆圈是毫不相干的两个圈圈，但在三维空间看，这两个圈圈不过是轮胎的两个不同部位而已。也就是说在三维空间，我们把两个貌似不同的圈圈统一在一个轮胎上了。

我们再想象一下，在刚才的横截面上活着一种二维生命，它只能看到这个横截面上的事物，那么它就只能认为这两个圈圈是两个不同的东西；

如果，现在让这个轮胎跳舞，各种反转、扭摆，那么这个横截面就会截出不同大小的圆圈和椭圆，这个二维生命会将这个不同大小和形状的圈圈进行分类，

例如电子圈圈、夸克圈圈、胶子圈圈等它就是一个轮胎，哪有这么多不同的圈圈？这就是高维度空间能统一低维度事物的道理。

如果超弦理论确实正确，也就是说确实存在十维时空，那人类的感知就活在四维时空的横截面上。为了更好地理解这一点，我们把《三体》中的例子再变着法子说一下。

一个比喻

假设有一种二维生命体，就活在二维地面上；对它们来说，这个世界只有前后、左右，根本没有上下这个概念。

这个地面上放了一张四条腿的桌子，但他们只能看到四条腿在地面上的接触面，就是四个互不相连的小正方形。

有一天，一个人走了进来，二维生命看到的就是两个向前移动的脚印，而且两个脚印忽大忽小，因为人总是后脚跟先落地，然后前脚掌才落地。这个人走到桌子旁，将桌子举了起来，脱离了地面，那么对于二维生命来说，那四个小正方形在它们的世界中就消失了。

这个人将桌子在空中颠倒过来，倒扣在地面上，桌面接触了地面，对于二维生命来说，就是突然出现了一个特别大的正方形。它们或许会认为这个特大的正方形，就是那四个小正方形演变过来的。其实，折腾了半天是同一张桌子。

说了半天，其实就是想表达这样一个道理：低维度空间的生命，会把同一种东西看成不同的事物，这些不同的事物其实是同一种东西在低维度空间的投影而已。

记得过去有一个宗教人士是这样讽刺科学的，“你们不是在研究真理，是在研究真理的影子。”说的就是这个意思。不过现在有十维时空的超弦了，你还能说科学家在研究影子吗？

这就看大统一理论能否构建成功了，可惜至今还未被证实。

好，今天就先这样！

Masir 2022/08/08

祝 愉快~

参考文献 

[1]《时空简史》

[2] 《决定论or随机论》

图片来自网络

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