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天文知识:超弦理论


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关键字:天文知识 2006-6-21

 
天文知识:什么是超弦理论

  爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找统一场论—— 一个能在单独的包罗万象的协和的数学框架下描写自然界所有力的理论。爱因斯坦这样做的动机不是我们常想的那些与科学研究紧密相关的东西,例如,为了解释这样或那样的已知现象或实验数据。实际上,驱使他的是一种关于自然界基本规律内在美的信念:对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密,那就是,它所依赖的原理是简单而有力的。爱因斯坦渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅,将让每一个第一次知道的人产生有生以来最强烈的敬畏、惊讶和震撼。

  弦理论或者超弦理论是那些象量子和夸克等等已经溶入大众词典的诸多新科学专用词汇之一,但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你,超弦理论,象许多新兴科学和研究领域一样,涉及了许多高前沿的数学领域,并不是很容易能把握的。超弦理论到底是什么呢?简单说来,我们可以这样来定义超弦理论:(1)超弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论;(2)超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元,所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态;(3)超弦理论第一次将二十世纪的两大基础理论-广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自冾的框架里;(4)超弦理论有可能解决一些长期困绕物理学家的世纪难题如黑洞的本质和宇宙的起源。(5)超弦理论的实验证实将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。

  首先,我们发现,弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成份。举例来说、弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P.180-181)

  在弦理论中就有许多这样极小的额外空间维数,因此,微观世界并不象我们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上,弦理论也可能用来解释宇宙大爆炸的开始和黑洞内部的行为,而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的广义相对论都失效的地方。现在发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论,因此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。

  弦理论的一个基本观点就是自然界的基本单元不是象电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子,这些看起来象粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中,人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力,而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的,在弦理论中它们都协和地统一起来了,并且是彼此需要、独一无二的。

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