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第一一五章 想依靠量子力學穿越時空?那可能要搭車超弦理論!

“所以你是想要像班納所說的那樣,乾脆改變原本發生的歷史,製造一個平行世界出來?”古一滿是疑惑的看向漢斯。“可這依舊會遇上過去時間點的所有人吧?”

“轟母拉!”漢斯突然喊到,古一的目光隨著漢斯的頭一同轉向了三個剛才一直在玩弄著海豹形態的漢斯軀體,然後一直隱形不想引起漢斯注意的馬猴燒酒們!“你應該還記得,她運用的時間魔法所造成的效果吧?至尊法師?”

“你的意思是,班納他的說法是錯誤的,其實並不會產生平行世界?”古一的眼睛放射出詫異而又驚喜的光芒!

“不不不,他們的科學理論我並沒有辦法證偽。”漢斯的話讓眾人十分的疑惑,“但是現代科學的本質是什麼?科學是正確反映世界本質與規律的理論,包括正確的概念、命題、原理與理論體系;其物件是客觀本質與客觀規律,內容是科學本質與科學規律,形式是語言,包括自然語言與數學等人工語言。然而,普通人之中的科學家們的大多數,是無法觀測到魔法這一存在的啊……所以說,他的說法是基於他們對自己能夠觀測到、利用到的量子領域方式跨越時間,而得到的研究成果。”

“我不太明白,所謂的利用量子領域是如何做到跨越時空的?這簡直不可思議!”約翰急切的插嘴說到,“你知道有什麼詳細的理論依據嗎?說一說!”

“這有些麻煩,可能會需要我先對一些現有的物理學理論,以及未來發展出來的物理學理論假說進行敘述,但是我不確定會有幾個人能聽懂。”漢斯看到爺爺點頭確認便繼續開始講述起來,“眾所周知,量子力學是研究微觀事物的,在微觀世界中,電子以及各種高能粒子,它們的運動速度都是極高的,特別是中微子,其運動速度非常接近於光速。而這些粒子顯然都是具有質量的,因此在高速運動的狀態下,它們都擁有著極高的慣性質量,也就是說它們周圍的時間都極為緩慢,如果不考慮狹義相對論所描述的時間膨脹效應,那麼我們所計算而出的粒子壽命就會出現巨大的謬誤,因為這些高速運動的微觀粒子的時間流逝速度和我們的並不相同。

於是,在狹義相對論的幫助之下,科學家們利用了一個公式精確計算出了電子高速運動的時間,這個公式就是狄克拉公式。

由此可見,狹義相對論和量子力學不僅相融,而且是高度的契合。”

“沒錯,沒錯!量子力學加上狹義相對論和經典場論相結合而成的量子場論!弱相互作用有四費米子點作用理論。在弱相互作用中,李政道和楊振寧發現宇稱不守恆。”約翰興奮的表示這個自己知道!“繼續,漢斯,繼續!雖然狹義相對論下的量子力學理論驗證很完美,但是明顯不符合廣義相對論!目前來說,甚至還沒有一個假說,能夠讓兩者處在一個統一的理論框架下!”

眾人:???

……

他倆是在說啥?

“沒錯!後來的廣義相對論卻與量子力學是那麼的格格不入,多年以來,愛因斯坦一直嘗試將引力融入到相對論之中,卻始終未能如願。

任何一種力的傳播都需要傳播子,而引力恰恰沒有,或者說沒有被發現,這也就導致廣義相對論可以完美的闡釋所有引力效應,但如果將其融入量子力學後就會發現處處矛盾。兩種無懈可擊的理論就是不能相容,這其實是一件很令人費解的事情。”漢斯說的有些累,歇了口氣。

“我覺得--”讓想要打斷這爺孫倆的互動,但……

“你不要在這你覺得!我要理清楚我孫子的設想思路,不要胡亂插嘴!”約翰粗暴的打斷了讓未說完的話。“小漢斯,繼續~”

“不單是量子力學,麥克斯韋的電磁力同樣與之無法統一。1926年,愛因斯坦的同事克魯扎首先發表了一篇論文,而後波爾的同事對克魯扎的論文進行了改進,透過在原有的四維時空的基礎上,引入新的一維空間,從而能夠綜合愛因斯坦的重力方程式與麥克斯韋的電磁學方程式;這個理論就稱為克魯扎-克萊因理論,並且在該理論中,認為多出的一維空間只存在於微觀結構之下,因此在現實世界中無法觀察。然而由於當時的科學家對於這種無法觀測的高維理論缺乏興趣,同時適逢量子理論的誕生,因此科魯茲-克萊因理論無疾而終,但是這種高維捲曲的思想,卻成為了後續絃理論的思想基礎,顛覆了所有人的時空觀。”

“弦理論……”梅麗爾搖了搖頭,“這個理論的研究已經沉寂了好幾年了,70年代還能偶爾聽學校的那群數學教授對物理學教授們說起,近幾年一點訊息都沒有了。”

“那主要是因為同期的量子色動力學的問世,能夠完美的解釋粒子的強相互作用,成就了弦理論的初衷,因此量子色動力學自然就逐漸搶了弦理論的風頭,弦理論再次被大家扔到了舊紙堆中。而量子色動力學則逐漸完善,最終發展了標準模型理論,能夠實現對電磁力、強相互作用力、弱相互作用力進行統一的解釋,並且能夠透過物理實驗加以驗證,成為在當前粒子理論物理學的主流理論。

有些扯遠了還是迴歸到弦理論,真正弦理論的誕生要到大概接近半個世紀以後。1968年,為了解釋當時發現的核間的強相互作用力,義大利的物理學家維亞那多(Gabriel Veneziano)偶然發現了透過尤拉Beta函式,可以非常完美的描述幾乎所有的粒子間強相互作用的規律:角動量與質量平方之間成正比的關係,即一條直線。根據維亞那多的模型,粒子可以視為粒子可以視為在某空間的延伸量,就是一條線段,或者一條弦。這些弦由兩個反方向的力保持了微妙的平衡,一個是張力,使得弦的兩端靠近;一個加速力,會使弦的兩端分離。做一個近似的類比:弦就類似於飛機的螺旋槳,隨時隨地都在轉動;離心力使得弦的兩端在分離,而向內的張力,則保持了弦的平衡。

弦理論的提出,給物理學家提出了一種嶄新的物質觀,以前我們都把物質的基點看做一個無限小的質點,而弦理論則將其看做一條一維足夠細小的線段;並且根據早期的弦理論,基於數學推導的原因,為了實現理論的自洽,需要擴充套件到高達26維的空間上才行;這就讓弦理論成為一種玄學,當時的物理學家對於這種如此高維的時空,根本毫無概念,也無法透過試驗方法對這個理論進行證偽;一個無法證偽的理論,當然也無法認可為是一個有效的物理理論。

不過,雖然標準模型不論從理論上,還是實驗上都能對物質有非常完美的解釋,以及精確的語言,但是從數學的角度來講,這卻並不失為一個具有『美』感的理論;為了解釋物質及其相互作用力,標準粒子模型構建了61種粒子模型,分為了費米子和波色子兩類;如果再包括重力子,則總的粒子數達到了62種之多。各種物質,及其相互之間的作用力,都是由這62道食材拼湊的結果,所以這個理論也是名副其實的雜盤理論。

所以很多物理學家語言,標準粒子模型並非終極的物理理論,而極大可能是這個終極理論的中間態。

雖然弦論被大多數的物理學所鄙視,但是它本身所具備的數學美感,卻仍然讓少數的物理學家對它痴迷;在這個過程中,物理學家透過弦理論已經很好的解釋了波色子,在1970年,史瓦茲(John Schwarz )和他的同事南夫(Andre Neveu)發現可以描述費米子的弦論;但是這個描述費米子的弦理論卻產生了一些實驗上無法驗證的粒子。這種粒子具有靜態質量為零,但是擁有的自旋數為2。經過一段時間的研究,才發現這個粒子的描述,就是對量子重力場理論中假設的重力子的描述,從而發現了弦理論對重力場的微妙關係。

史瓦茲和格林在1980年發現超弦在十維中存在反常相消,1984年格林和史瓦茲沿這個方向推進了一大步,構造了一種特殊的弦模型,它具有時空的超對稱,因而稱為超弦理論。對稱概念是物理學家最有用的工具之一。數學上,當一個方程組的單元之間發生了互換(變換),而整個集體仍然顯出同樣的性質,我們可稱之為對稱。對稱的概念之所以在發展理論時有價值,是因為它可用於指明大相徑庭的事物之間的重要相似點。

當時空維數等於十,內部對稱群為SO(32)時,這個理論不存在反常。超弦理論頗有說服力地證明,曾讓早期弦理論困惑的有關量子力學的矛盾全都是可以消解的。事實上,他們得心應手地處理了所有的數學上的自洽性問題,諸如超光速的快子、由點粒子模型所引起的無窮大、對稱性反常、高維自由度與超對稱的引入等等。他們甚至還證明,弦理論有足夠能力去容納4種基本力。不利用“弦”就顯然不可能建立一個數學上調和的量子引力理論。相反地,不包括引力,看來也不可能建立一個數學上一致的弦論。超弦計算,即使包括引力在內,決不會產生“無限大”。從1984年到1986年,是所謂的“第一次超弦革命”時期。

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後來人們經過研究發現,在十維空間中,實際上有5種自洽的超弦理論。對一個統一理論來說,5種可能性還是稍嫌多了一些。因此,過去一直有一些從更一般的理論匯出這些超弦理論的嘗試,直到1995年人們才得到一個比較完美的關於這5種超弦理論統一的影象,稱之為M理論。將5種超弦理論和十一維超引力統一到M理論無疑是成功的,但同時也向人們提出了更大的挑戰。M理論在提出時並沒有一個嚴格的數學表述,因此尋找M理論的數學表述和仔細研究M理論的性質就成了超弦理論研究熱點,從而點燃了“第二次超弦革命”。

隨著M理論的不斷完善所取得的成果有:

1、成功的將量子理論和相對論統一在了統一理論框架下;

2、具有回答關於自然最基本的物質構成和力的初始問題的能力;

3、在宇宙學上,超弦理論成功的解釋了霍金提出的黑洞的熵和輻射問題,這也是第一次從微觀理論出發,利用統計物理和量子力學的基本原理,嚴格推導出了宏觀的黑洞的熵和輻射公式;

這些未來會發展出的更深的弦理論學說,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。”

“所以你認為,古一她宇宙中的這個綠皮猛漢科學家,利用量子領域穿越時空的理論依據,便是基於超弦理論?”約翰一邊思索一邊緩慢的問到。

“應該說,這是目前我唯一知道的,量子力學能夠與廣義相對論處於統一的理論框架之下,並且能夠與時間、空間產生一定關聯性的理論。”漢斯想了想後,又開口補充了一下,“大概他們還有其他的基礎物理研究的突破,畢竟他們宇宙的各種科學發展比魔法還魔幻。或許可以把抑制力們叫回來,然後讓她們把她們世界的愛因斯坦、普朗克、玻爾、薛定諤、狄拉克、玻恩這些物理學家的英靈全都帶過來研究研究?”

“Stop!”看著約翰有些蠢蠢欲動的樣子,梅麗爾捂著額頭急忙對著漢斯喊停!“理論上的先說這麼多吧!我覺得大家大概可能也許或多或少都明白了!”眾人紛紛點頭表示對梅麗爾的話表示贊同!