從一聲爆炸開始

宇宙就在那裡,等待著你去發現它。
由福布斯撰稿人表達的意見是他們自己的。

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代替0維粒子的想法,它是弦理論核心的從根本上構成宇宙的一維弦。


這是所有物理學中最輝煌的、有爭議的和未經證實的想法之一︰弦理論。在弦理論的核心是一種物理學幾個世紀以來貫穿的想法,在某些基本的水平,所有不同的力、粒子、相互作用和真實的表現被作為同一框架的部分捆綁在一起的。不是四個獨立的基本力—強力、電磁力、弱力和引力—而是有一個統一的包括它們所有的東西。

在許多關注中,弦理論是引力的量子理論的最佳競爭者,引力只是碰巧在最高能量尺度來統一的。雖然對它沒有實驗證明證據,但有非常有說服力來認為它可能是真的的理論原因。一年前,頂級在世的弦理論家愛德華‧威滕寫了一篇關於每個物理學家應該知道關於弦理論的。這裡是意味為非物理學家的。

標準量子場理論對點狀粒子之間的交互作用(L) 和對閉合弦之間的交互作用(R)的差異.jpg  

標準量子場理論對點狀粒子之間的交互作用(L) 和對閉合弦之間的交互作用(R)的差異。


當到自然法則時,看似無關的現象之間多少個相似處是明顯的。兩個巨大物體的吸引,根據牛頓定律是與帶電粒子吸引或排斥的方式幾乎相同的。一個鐘擺擺動的方式是完全類似於在一個彈簧上的質量來回移動的方式的,或一顆行星圍繞一個恆星。引力波、水波和光波都分享顯著的相似特徵,儘管源自於從根本上不同的物理起源。一脈相承,儘管大多數人沒有意識到它,但一個單粒子的量子理論與你將怎樣走進一個引力的量子理論是同樣類似的。

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表示電子-電子散佈的費曼圖,這需要累加所有可能的粒子-粒子相互作用的歷史。
 

量子場論工作的方式是你取一個粒子並且你進行一個數學的"對歷史求和"。你不能只計算這個粒子過去在那裡和現在它在哪裡和它怎麼會到那裡的,因為有一個內在的、基本的量子對自然的不確定性。相反,你添加所有它已經到達它目前狀態的可能的途徑,概率上適當的加權,這就是你怎樣計算單個粒子的狀態的。因為愛因斯坦的廣義相對論並不考慮粒子而是空時結構的曲率,你不就一個粒子的可能歷史平均的,而是就所有可能的空時幾何。

由愛因斯坦管制的引力和一切另外(強、弱與電磁相互作用)的由量子物理學管制的,是已知的主宰我們宇宙中的一切的兩個獨立的規則.jpeg  

由愛因斯坦管制的引力和一切另外(強、弱與電磁相互作用)的由量子物理學管制的,是已知的主宰我們宇宙中的一切的兩個獨立的規則


在三個空間維度工作是非常困難的,但如果你去掉一個維度,事情變得非常簡單。唯一可能的一維表面是一個開路的弦,其中有兩個分開的、未連接的端或一個閉合的弦,其中兩端相連形成一個環。此外,空間的曲率—在三個維度的空間中如此複雜—就變得微不足道。因此留給我們的,如果我們想要添加東西的,是一套標量場(就像某些類型的粒子一樣)和宇宙學常數(這就像一個質量的術語一樣)︰一個美麗的類比。


一個粒子從在多個維度中獲得的額外的自由度不發揮多大的作用,只要你能定義一個動量向量,這是起作用的主要維度。因此在一維中量子引力看起來就像一個在任何任意數量的維度中的自由量子粒子一樣。下一步是包容相互作用,並且從一個沒有散佈振幅或截面的自由粒子走向一個能耦合到宇宙發揮一個物理角色的。

一個有三價頂點的圖是一個構建相關的一維量子引力積分路徑的關鍵成分.jpg  

一個有三價頂點的圖是一個構建相關的一維量子引力積分路徑的關鍵成分。


像上面這個一樣的圖,允許我們來描述在量子引力中作用的物理概念。如果我們寫下所有這類圖的可能的組合併總和它們—應用像我們總是強行的動量守恆一樣的法則—我們能完成這個類比。量子引力是一維的是非常像單個粒子在任意數量的維度中相互作用一樣的。

發現在某一特定地點的一個量子粒子的概率永遠不是100%,這個概率散佈在空間和時間上的.jpg  

發現在某一特定地點的一個量子粒子的概率永遠不是100%,這個概率散佈在空間和時間上的。


下一步將是從一維空間移到3 + 1維︰在那裡宇宙有三個空間維度和一個時間維度。但對引力做它可能是非常具有挑戰性的。相反,可能在工作中在相反方向有一個更好的方法。不是計算一個單粒子(零維的實體)在任意數量的維度中的行為方式,而是也許我們可以計算一個弦無論是開環的還是閉合的(一個一維的實體)怎樣行為的。然後,從那個我們能在一個更實際的緯度數量中尋找到一個量子引力理論的更完整的類比。

費曼圖(頂部)是基於點粒子和它們交互作用的偏離的。將它們轉換為它們的弦理論類似物(底部)誕生能有非平凡的曲率的表面.jpg  

費曼圖(頂部)是基於點粒子和它們交互作用的偏離的。將它們轉換為它們的弦理論類似物(底部)誕生能有非平凡的曲率的表面。


不是點和相互作用,而是我們立即的開始與這個表面工作。一旦你有一個真的多維表面,這個表面能以非平凡的方式彎曲。你開始變得非常有興趣出來的行為,剛好是在空時曲率根的行為是我們在我們的宇宙中作為廣義相對論體驗的。在1 D量子引力給了我們在一個可能彎曲的空時中的粒子的量子場論的同時,它並沒有描述引力本身。這個難題的微妙的一塊不見了嗎?在運算子或代表量子力學的力、屬性的函數和粒子及它們的屬性或狀態怎樣隨著時間的推移演變之間是沒有對應關係的。但如果我們從點狀粒子移到弦狀的實體,那個對應性顯示出來的。

變形的時空度量能被波動(標為 p)代表,並且如果你將它應用於弦類似,它描述一個空時波動並對應一個弦的量子態.jpeg  

變形的時空度量能被波動(標為p)代表,並且如果你將它應用於弦類似,它描述一個空時波動並對應一個弦的量子態。


有一個真正的運算子狀態對應,其中一個空時度量中的波動(即,一個運算子)自動的代表一個弦屬性的量子力學描述中的一個狀態。因此你能從弦理論得到一個空時中的量子引力論。但這不是你得到的所有的︰你也用空時中的其它的粒子和力獲得與量子引力的統一,對應弦的場論中其它的運算子的。也有描述空時幾何波動和其它的弦的量子狀態的運算子。關於弦理論最大的新聞是它能給你一個工作的引力的量子理論。
每一個外行人應知道的關於弦理論的

布萊恩格林表達弦理論.jpeg  

布萊恩格林表達弦理論。


這並不意味著它已成定局,然而,弦理論是到量子引力的路徑。弦理論的最大希望是這些類比將把持在所有的尺度上,並且這個將是一個毫不含糊的一對一把弦映射在我們觀察我們周圍的宇宙上的。現在,只有幾組的弦/超弦圖片是自我一致的維度,並且最有前途的一個不給我們愛因斯坦的四維引力,而是相當一個的10維布蘭斯-迪奇的引力理論。為了恢復我們的宇宙的引力,你必須"解脫"六個維度並把布蘭斯-迪奇耦合常數ω帶到無窮大。這種情況怎樣發生仍然是弦理論的一個公開挑戰。

一個卡拉比-丘流形的二維投影,一種流行的壓縮化弦理論的額外的不需要緯度的方法.jpg  

一個卡拉比-丘流形的二維投影,一種流行的壓縮化弦理論的額外的不需要緯度的方法。


但弦理論提供一條到量子引力的路徑,如果我們做出"數學算出這條路"的明智的選擇,我們能從它得到廣義相對論和標準模型。這是到目前為止給我們的唯一的想法,並且這就是為什麼它被如此緊追不捨的。無論你兜售弦理論是否成功或失敗或你如何感覺它缺乏可驗證的預測,它將毫無疑問仍然是理論物理學研究的最活躍的領域之一,一個很多物理學家夢想的終極理論的核心。




撰稿人:Ethan Siegel, NOV 25, 2016 @ 03:44 PM
http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/11/25/what-every-layperson-should-know-about-string-theory/#2c368799557d

http://blog.sina.com.cn/s/blog_9bdadbb90102wjpr.html




維基百科:弦理論,又稱弦論,是發展中理論物理學的一支,結合量子力學和廣義相對論為萬有理論。弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明宇宙里所有微觀粒子如電子、質子及夸克都由這一維的「能量線」所組成。

較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣為接受的物理模型,也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題,但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來,弦理論的基礎是波動模型,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測。

 

 






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