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物理前沿弦理論:世界是一枚虛幻跳動的音符?

什么是弦理論呢?

親,不要著急,先來看看組成我們世界的物質是什么?物質是這個世紀的科學感到最困難、最難解決和最難理解的概念。

跟我學物理網賈蘭華老師說:以牛頓力學為基礎的經典物理學來看物質,繼承了古代原子論的觀點,把物質歸結為具有某些絕對不變屬性的質點的集合。如我們中學物理課本上把質量定義為“物質多少”的量度,就是因為在任何機械運動過程中,乃至在化學反應中,質量始終如一。質量被理所當然地看成是物質本身所絕對固有的,被看成物質不滅或實體不變原理的具體表現,以牛頓力學為代表的經典物理學在十九世紀末所取得的巨大成功。

然而,二十世紀愛因斯坦發明的相對論開始揭示出了物質的實體觀的謬誤。首先,相對論證明質量與速度有關,同一個物體,相對于不同的參考系,其質量就有不同的值,當物體速度接近光速時,物體的質量接近無窮大。愛因斯坦還證明質量與能量存在著聯系,提出了著名的質能方程:能量等于質量乘以光速的平方。不久后,科學家們發現了核裂變和鏈式反應,把部分質量變成巨大能量釋放出來。現在知道原子彈的人,都相信質量可以轉化成能量。

那么物質到底是什么呢?科學家對物質結構的認識也迅速深入發展。在本世紀30年代以前,經典物理學一直認為:物質是由分子構成的,分子是由原子構成的。原子是組成物質的最小“磚塊”。1932年,科學家經過研究證實:原子是由電子、中子和質子組成的。1964年,美國物理學家馬雷。蓋爾曼大膽地提出新理論:質子和中子并非是最基本的顆粒,它們是由一種更微小的東西——夸克構成的。為了尋找夸克,全世界優秀的物理學家奮斗了20年,雖然一些實驗現象證實了夸克的存在,然而單個的夸克至今未找到,人們始終不識廬山真面目。對此,粒子學家們的解釋是:夸克是極不穩定的、壽命極短的粒子,它只能在束縛態內穩定存在,而不能單個存在。不僅如此,迄今人們所知道的300多種基本粒子中,除少數壽命特別長的穩定粒子(如光子、中微子、電子和質子)外,其它都是瞬息即逝的,也就是說,它們往往在誕生的瞬間就已夭折。

為什么絕大多數基本粒子都如此短命?如何理解我們的物質世界就是建立在這些瞬息即逝的“磚塊”上?為了解釋物質的構成,在二十世紀的后期,物理學的一個前沿領域-弦論的發展又使我們對物質的看法更進了一步。

什么是“弦論”呢?

弦理論把宇宙看作是由“弦”組成的大海,而我們看到基本粒子,如電子、光子、中微子和夸克等等,都是宇宙弦的不同振動模式或振動激發態。正如小提琴弦的一個頻率對應于一個音階,而宇宙弦的不同頻率的振動對應于不同的質量和能量,即不同的粒子。

弦理論能很好說明質量不再是不變的屬性,物質與能量為什么可以相互轉化,因為在弦理論中,物質也就是能量,不再被看作是實體。如果把宇宙看做弦,而我們的世界就是弦奏出的交響樂。

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