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物理學為何一直無法突破?因為還有62種烏雲!盡頭是超弦理論?

2024-08-13科學

目前物理學中存在62個未解之謎,其中已經涉及了諸如真空災難、重力量子化以及暗物質體子等主題。在未來,我計劃逐一解析這些難題,這個系列預計將持續更新數年。

在這些所謂的「烏雲」中,有一個問題尤為突出,它也是本期內容的核心。在整個物理學烏雲系列中,我決定首先解釋這個最復雜的問題,為你們構建一個全面的認知框架。在這個框架下,後續的更新將更加有序和高效。

現在,讓我們直接進入正題。如果你對所有物理現象不停地追根溯源,你會發現所有的答案最終指向一個共同的問題:因果律的失效。

從這個根本問題出發,理論上可以解釋任何物理現象。

在科學的歷史長河中,物理學家們通常秉承一個簡單但統一的理念:他們樂於將看似毫無關聯的自然現象 納入同 一理論框架中,從而揭示它們更深層的共同原因,逐步逼近那個終極問題。

這個終極問題就是萬有理論(Theory of Everything,ToE)的追求。

回顧物理學的發展史,正是這種對萬有理論的渴望不斷推動了科學前進。

在17世紀以前,人們認為天體運動和拋物線運動由不同的物理法則控制。

然而,牛頓的理論出現之後,我們才意識到地面上的物體和天上的星體其實受到同一種力——萬有重力的支配。

在1865年以前,盡管人們早已知曉磁鐵和雷電的存在,卻沒能想到這兩者之間可能存在聯系。直至麥克斯韋方程式的發表,電和磁的關系才得以明了,我們現在知道光、電、磁以及化學反應實際上都是電磁作用的表現。

20世紀初,量子力學的誕生,它將原子理論與經典物理統一了起來。

1905年,狹義相對論將質素與能量、時間與空間統一起來。

1915年,廣義相對論進一步將時空與重力統一。

到了20世紀40年代,物理學家們將電磁理論、狹義相對論與量子力學統一,發展出了量子電動力學。

20世紀60年代,弱互動作用與電磁互動作用的統一,形成了電弱理論。

目前,物理學家們正努力將強互動作用與電弱理論統一,形成所謂的大統一理論(Grand Unified Theory,GUT)。

同時,也在努力將量子力學與廣義相對論統一,形成量子重力理論。

量子重力理論的最終目標是與大統一理論合並,形成預期中的萬有理論!

因此,物理學離達到萬有理論的目標還有很長的路要走。當前更實際的目標是實作大統一理論!

什麽是大統一理論呢?

根據大爆炸理論的預測,宇宙中所有的粒子和四種基本作用力都起源於大爆炸之初的一個奇異點。

在宇宙大爆炸的最初瞬間,即在第一個普朗克時間內,宇宙的溫度達到普朗克溫度,此時所有的力和物質不分彼此。

當宇宙年齡超過第一個普朗克時間,溫度降至10^31攝氏度,時間約為10^-35秒,物理規律開始生效,重力首先從其他三種基本力中分離出來。

在時間達到10^-32秒時,溫度降至10^26攝氏度,強作用力分離。

在時間達到10^-12秒時,溫度降至10^15攝氏度,能量為100GeV時,弱作用力與電磁力分離,至此,四大基本作用力完全分離。

大爆炸後宇宙的平均溫度逐漸降低,重力、強作用力、弱作用力和電磁力依次分離。

逆向操作,即在粒子對撞機中不斷提高粒子撞擊的能量和溫度,我們可以觀察到電磁力和弱力首先合並,隨後與強力合並,最終與重力合並。

但目前實驗條件下所能達到的能量和溫度,僅能觀察到弱力和電磁力的合並,尚不能達到合並強力與重力的水平。

因此,目前階段我們僅能實作電磁力與弱力的統一,即電弱理論。

未來,電弱理論將嘗試與強力統一,進而實作大統一理論。

但要想將重力納入大統一理論,人工創造的溫度必須接近普朗克溫度,這在實驗上幾乎是不可能的。因此,要統一重力,需要繞開這種實驗限制,透過如量子重力理論和超弦理論等新方法來嘗試。

超弦理論是否會成為終極理論呢?

在弦理論中,基本粒子被視為一種近似表達,實際上,如果放大觀察,所有基本粒子都由一種小弦組成。這些弦在空間中或展開或閉合,它們存在張力,並能夠以不同的模式振動。

這些振動模式就如同吉他弦那樣,不同的振動會產生不同的波形。

這些不同的振動模式在量子尺度上表現為不同類別的粒子。

根據弦理論的計算,某些弦的振動模式類似於光子,而有些則類似於重力子。

如果我們接受所有基本粒子實際上 都由 更細微的弦構成的觀點,那麽重力子也可以被認為是由弦組成的。

然而,弦理論並非沒有爭議,它違反了「如無必要,勿增實體」的原則。

雖然弦理論能夠將重力子與標準模型的其他粒子統一起來,但同時也帶來了一些目前無法解決的新問題。

首先,弦理論預測的所有振動模式似乎都與玻色子(如光子和重力子)相符,但我們所在的世界明視訊記憶體在費米子(如電子),這與弦理論的預測不符。

其次,弦理論還預測了存在所謂的 快子

——一種具有虛質素的超光速粒子。

最後,我們所感知的宇宙是四維的,包括三個空間維度和一個時間維度,而弦理論卻只在26維的宇宙中適用,這與我們所知的宇宙大相徑庭。

這些問題使得超弦理論目前陷入了停滯。

也有理論認為,也許這個世界根本就不存在什麽萬有理論。

讓我們 再思考 一下物理理論的本質是什麽?

物理理論本質上只是對自然現象的總結和歸納,它並不能解釋現象為什麽會這樣發生。

我們並不創造現象,我們只是總結現象的人。

如果自然現象本身就是獨立存在的,而不是源於某個可以衍生出所有現象的基本現象。

那麽萬有理論的設想就不可能實作。

因為萬有理論的核心就是將所有自然現象納入一個理論框架中,從這個最基本的理論出發,理論上可以解釋任何自然現象。

物理理論必須基於現象,如果現象本身並非如此,那麽理論也應當如此。

最後,我想表達我的個人看法:我認為真正的萬有理論可能永遠無法實作,因為如果我們僅憑借一個理論就可以解釋宇宙中的所有現象,那將是一種悲哀。

自然規律的復雜性和奧秘遠遠超出我們幾百年科學探索的範圍。

物理學的統一不應該是探索宇宙的終點,而應該是驅動力。我始終堅信這樣一句話:我們對已知的理解越深,未知的領域就會更加廣闊。