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宇宙有十个维度吗?超弦理论说有,但这只是猜想

这个是认证

科学信仰

2022-01-27 12:37

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我们生活在四维时空之中,三维空间再加上一维时间,那么宇宙究竟有多少个维度呢?

这是一个不容易回答的问题,因为我们只能够感受到四维时空,无论宇宙存在多少个维度,我们都无法意识到更高维度空间的样子。不过虽然我们无法自主感知,有一种理论却给了我们一个答案,那就是弦理论和由它发展而来的超弦理论。弦理论认为宇宙存在着26个维度,而超弦理论虽然进行了优化,但也表示宇宙存在着10个维度。宇宙真的存在着10个维度吗?什么是弦理论,为什么要提出弦理论?因为科学需要一个大一统理论。宇宙作为一个整体,必然有着一个统一的规律,但现实是已知的规律却存在着局域限制,以致不能相容。


目前人类在宇宙中发现了四种基本力,即强力、电磁力、弱力和引力,经过物理学家的努力,在上世纪80年代,强力、弱力和电磁力终于被统一了起来,这三种力终于都可以用标准模型来进行解释了,但唯有引力仍然与它们格格不入。

不仅如此,我们甚至于连引力的传播媒介粒子都没有找到。强力、弱力以及电磁力的传播都需要相应的媒介粒子,而我们也都发现了它们的媒介粒子,但只有引力的媒介粒子迟迟没有进展,但科学家们仍旧相信这种媒介粒子的存在,于是给这种尚未发现的粒子起名为“引力子”。


广义相对论与量子力学的冲突也就在于此。

广义相对论认为引力是一种几何效应,是通过空间曲率来实现的,所以它不需要任何媒介粒子。然而量子力学坚持认为,即便引力是通过空间曲率来实现的,但空间曲率之所以能传递引力也必须要依靠一种媒介粒子。于是在没有发现引力子的情况下,科学家们将这种假想的“引力子”代入到了标准模型之中,企图通过计算证明理论的正确性,结果却得到了一个无限大的解。这意味着尝试使用标准模型来解释引力彻底宣告失败了。这就代表广义相对论无法与量子力学进行统一,二者都不是宇宙的终极规律,我们需要找到一个大一统理论,该理论能够完美兼容量子力学和广义相对论,能够将四种基本力统一起来。


宇宙是由物质所构成的,大物质由小物质所构成,小物质由更小的物质所构成,而最小的物质单位则被我们称之为基本粒子。

在标准模型之中,粒子可以分为两类,自旋为整数的被称作玻色子,自旋为半整数的被称为费米子。三种基本力的媒介粒子以及假想的引力子都是不可再分的基本粒子。现在看来,引力子与其它粒子难以相容,但如果粒子并不是物质的最小结构呢?如果粒子仍然存在着内部构造、仍然可以拆分呢?那么在更小的尺度上,它们就有可能实现相容。在这样的设想下,弦理论诞生了。


弦理论认为所有的粒子都是由一根小弦构成的,弦可以振动,不同的振动方式会产生不同的波,也就表现出了不同的粒子。

弦理论是真的吗?没有人知道,因为它没有任何现实证据,它完全是一种猜想。弦理论是一种最具成为大一统理论潜力的猜想,但并不被广泛认可,因为通过计算可知,所有的振动形式都会表现出玻色子的特征,却无法形成像电子这样的费米子。更为离谱的一点是,弦理论所描述的世界与我们所知的四维时空并不相同,只有在26维的宇宙中才能够适用。为了解决这一问题,研究弦理论的科学家又为该理论增加了一个微调机制。


增加了微调机制之后,弦理论无法产生费米子的问题就得到了解决,而且费米子和玻色子的数量也变得一样多,这就是超对称性。

在增加了超对称性之后,弦理论就发展为了超弦理论。相比只适用于26维宇宙的弦理论而言,超弦理论只需要宇宙拥有10个维度,也就是9维空间加上一维时间,如此就变得好接受多了,毕竟只比我们所感受到的时空多了6个维度而已。宇宙有十个维度吗?这无法回答,至少现在无法回答,但如果宇宙真的拥有十个维度,那么超弦理论就可以完美适用,它很可能就会成为我们所寻找的大一统理论。但回过头来想一想,要感知多出的6个时空维度似乎比寻找大一统理论更加困难。

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