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弦论:当现代科学挑战传统引力观念

2024-08-26科学

超弦理论长期被视作理论物理的终极解答,许多科学家希望通过它实现对自然规律的全面解读。爱因斯坦在完成广义相对论后仅36岁,他的余生,直到76岁逝世,都在探索未完成的统一理论。

古希腊哲学为现代物理学奠定了基础,尽管当时人们对自然界的理解还局限于直观经验。亚里士多德的理论——物体之所以运动,是因为有力在作用,这在当时看似合理无比。

然而,直到伽利略的时代,我们才开始以实证科学方法接近自然的本质。伽利略在比萨斜塔进行的自由落体实验,推翻了亚里士多德关于物体运动的古老观点。

从开普勒、伽利略到牛顿、胡克,近代物理学逐渐成形。牛顿力学曾在物理界占据至高无上的地位,直到20世纪初才遇到挑战。

1900年的量子力学和1905年的相对论的出现,动摇了牛顿力学的核心地位。量子力学解释了微观世界,而相对论解释了高速下的物理现象,尽管在低速宏观环境下,牛顿力学依然适用。

量子力学和相对论从根本上颠覆了牛顿力学的主导地位。狭义相对论未能解释万有引力,这一点在广义相对论中得到了补充。

量子力学详细描述了原子及亚原子粒子的行为。在高速状态下,如中微子和核外电子,其时间理论必须结合狭义相对论进行解释。

虽然量子力学与狭义相对论在高速粒子的时间膨胀问题上并无矛盾,广义相对论的引入却与量子力学产生了潜在的冲突,尤其是在描述引力的本质上。

科学界普遍认为,自然界的基本作用力包括强相互作用、电磁作用、弱相互作用以及引力。而在量子力学框架下,强相互作用和弱相互作用均有相应的中介粒子,例如 胶子 和W、Z玻色子。

在量子理论中,力的传递被认为是通过特定的中介粒子,或称玻色子,来实现的。

目前已知的是,强相互作用由胶子传递,弱相互作用由Z和W玻色子传递,电磁作用则由光子传递。而引力理论中假设的引力子至今未被发现。

粒子物理的研究包括希格斯玻色子,该粒子解释了某些粒子如何通过希格斯场获得质量。但是,对于不受希格斯场影响的光子和胶子,则不存在质量问题。

尽管粒子物理学领域充满活力,但引力子的存在与否仍是一个未解之谜。量子力学与广义相对论之间的矛盾,主要是在于量子理论无法充分解释引力。

超弦理论提供了一个可能的框架,认为传统的量子力学由于尚未探究到足够微小的尺度而未能纳入引力。弦理论认为,在更细微的层面上,一切粒子都是弦的不同振动模式的体现。

自1968年提出以来,尽管弦理论因缺乏直接实验支持而饱受争议,它在黑洞理论等领域取得了一定的理论成就,但对暗能量的解释却有所不足。

总之,尽管弦理论面临许多挑战,它仍是人类探索统一自然规律道路上的重要里程碑。我们应当积极看待其科学价值,而不应轻易否定其重要性。