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弦論:當現代科學挑戰傳統重力觀念

2024-08-26科學

超弦理論長期被視作理論物理的終極解答,許多科學家希望透過它實作對自然規律的全面解讀。愛因史坦在完成廣義相對論後僅36歲,他的余生,直到76歲逝世,都在探索未完成的統一理論。

古希臘哲學為現代物理學奠定了基礎,盡管當時人們對自然界的理解還局限於直觀經驗。亞里斯多德的理論——物體之所以運動,是因為有力在作用,這在當時看似合理無比。

然而,直到伽利略的時代,我們才開始以實證科學方法接近自然的本質。伽利略在披薩斜塔進行的自由落體實驗,推翻了亞里斯多德關於物體運動的古老觀點。

從克卜勒、伽利略到牛頓、虎克,近代物理學逐漸成形。牛頓力學曾在物理界占據至高無上的地位,直到20世紀初才遇到挑戰。

1900年的量子力學和1905年的相對論的出現,動搖了牛頓力學的核心地位。量子力學解釋了微觀世界,而相對論解釋了高速下的物理現象,盡管在低速宏觀環境下,牛頓力學依然適用。

量子力學和相對論從根本上顛覆了牛頓力學的主導地位。狹義相對論未能解釋萬有重力,這一點在廣義相對論中得到了補充。

量子力學詳細描述了原子及亞原子粒子的行為。在高速狀態下,如微中子和核外電子,其時間理論必須結合狹義相對論進行解釋。

雖然量子力學與狹義相對論在高速粒子的時間膨脹問題上並無矛盾,廣義相對論的引入卻與量子力學產生了潛在的沖突,尤其是在描述重力的本質上。

科學界普遍認為,自然界的基本作用力包括強交互作用、電磁作用、弱交互作用以及重力。而在量子力學框架下,強交互作用和弱交互作用均有相應的中介粒子,例如 膠子 和W、Z玻色子。

在量子理論中,力的傳遞被認為是透過特定的中介粒子,或稱玻色子,來實作的。

目前已知的是,強交互作用由膠子傳遞,弱交互作用由Z和W玻色子傳遞,電磁作用則由光子傳遞。而重力理論中假設的重力子至今未被發現。

粒子物理的研究包括希格斯玻色子,該粒子解釋了某些粒子如何透過希格斯場獲得品質。但是,對於不受希格斯場影響的光子和膠子,則不存在品質問題。

盡管粒子物理學領域充滿活力,但重力子的存在與否仍是一個未解之謎。量子力學與廣義相對論之間的矛盾,主要是在於量子理論無法充分解釋重力。

超弦理論提供了一個可能的框架,認為傳統的量子力學由於尚未探究到足夠微小的尺度而未能納入重力。弦理論認為,在更細微的層面上,一切粒子都是弦的不同振動模式的體現。

自1968年提出以來,盡管弦理論因缺乏直接實驗支持而飽受爭議,它在黑洞理論等領域取得了一定的理論成就,但對暗能量的解釋卻有所不足。

總之,盡管弦理論面臨許多挑戰,它仍是人類探索統一自然規律道路上的重要裏程碑。我們應當積極看待其科學價值,而不應輕易否定其重要性。