弦是什么(部队弦是什么)

大家好，这是小波读书。今天继续分享科普畅销书《宇宙的琴弦》。

我们之前介绍过弦理论。弦理论的一个基本观点是，自然界的基本单位不是电子、光子、中微子、夸克等点状粒子。这是一个微小的线性“字符串”。弦是一维的，弦的不同振动和运动产生各种基本粒子。能量和物质可以相互转化。在弦理论中，弦的能量有两个来源:振动和缠绕。两者对弦的能量贡献不同，但在一个弦内，两者是成反比的。即，具有诸如低振动的高卷绕的弦，以及具有诸如低卷绕的高振动的弦。所以它们的总能量是一样的。

弦理论解决了一个世纪以来科学家之间的一个主要矛盾，就是量子力学和广义相对论的矛盾。但也彻底动摇了物理学的基础，甚至是宇宙的维度。

爱因斯坦认为宇宙是由时间和空之间的思想组成的。要想确定宇宙中的一件事，就要在三维中确定它发生的时间和地点空。这是宇宙基本特征。然而，1919年，一位波兰数学家卡鲁扎给爱因斯坦写了一封信，对这一基本理论提出了挑战，认为宇宙可能不是四维的。四维空空间完全超出了我们的想象。

它是如何解释的？

想象一根几百英尺长的水管穿过峡谷。从几百米外，你很容易看到水管是一条长长的、展开的线。如果你没有特别好的眼力，你很难判断它有多厚。从远处看，如果一只蚂蚁在水管上，你觉得它只能朝一个方向爬，也就是顺着水管爬。谁问你某个时刻蚂蚁在哪里，你只需要告诉他一个数字:蚂蚁到水管左(或右)端的距离。这个例子的重点是，从几百米外看，一根长长的水管看起来像是一维的东西。

其实我们知道水管有粗有细。你可能不容易从几百米外看到，但用一副双筒望远镜，你真的可以看到。在望远镜的镜头里，还可以看到一只蚂蚁在管道上爬行，可以向两个方向爬行。它可以跟着管道走，可以绕着管道顺时针或逆时针爬行。现在你知道了，为了确定蚂蚁在某个时刻的位置，你必须说出两个数字:它在管道的什么长度，它在管道圈的什么位置。这说明水管的表面是二维的。

从远处看，花园里的浇水管看起来是一维的。仔细看，水管是二维的。然而，这两个维度之间存在明显的差异。沿着管道延伸方向的一个维度很长，容易看到，管道周围的一圈很短，“蜷缩”，不容易发现。为了清楚地看到圆的哪个维度，你必须以更高的精度来观察这个管道。

这个例子强调了空维度的一个微妙而重要的特性:有两种空维度。它可能很大，延伸很远，可以直接显露出来；它也可能很小，卷曲，很难看到。当然，在这个例子中，你不需要太多的努力就可以暴露出管道周围“蜷缩”的小圆圈。你只需要一副双筒望远镜。然而，如果管子非常细-像头发或毛细管-就不容易看到卷曲的尺寸。

后来在1926年，数学家克莱因把它说得更清楚、更具体。他认为我们宇宙的空结构既有延展维度也有卷曲维度。也就是说，我们的宇宙有着像水管一样在水平方向延伸的大而易见的维度，也有着像横跨水管的圆圈一样的卷曲维度。这些维度非常小，我们很难观察到它们。结合当时最新的量子理论，他们认为这些卷曲维度的大小可能小到普朗克长度，这是实验远远无法达到的。从那以后，物理学家将这种超小空维度的想法称为:卡鲁扎-克莱因理论。

同时，卡鲁扎猜想最大的惊喜不是宇宙的多维可能性，而是引力和电磁力这两种不相关的力之间的联系，根据他的理论。他的理论指出，两种力都伴随着空之间结构的涨落，引力在我们熟悉的3维空空间中涨落，电磁力在新的旋度空空间中荡漾。很长一段时间，爱因斯坦和物理学家都认可这个猜想，但后来，克莱因发现它与实验结果有很大矛盾。例如，将电子纳入理论预测的质量和电荷之间的关系，就大大偏离了观测值。所以时间久了，宇宙多维理论就成了边缘理论。

许多年后，物理学家发现将多维理论与引力和超对称性相结合，提出了高维超引力，从而将量子力学与广义相对论相结合，缓和了两者之间的矛盾。但是物理学家仍然觉得缺少一条基本线索来将它们缝合在一起。1984年，这条线索出现了。那就是:琴弦。

90年代中期，根据自己和一些物理学家的研究结果，惠滕提出了一个惊人的理论:弦理论实际上需要十一个维度，即十个维度加一个维度的空之间的时间。关于这个结论，后面会详细说明原因。根据宇宙大爆炸理论，我们可以想象在宇宙大爆炸之初，三维空和一维的时间被膨胀到我们现在的尺度，但剩下的空维仍然蜷缩在一个非常小的尺度内，没有膨胀。

也有物理学家提出空之间有10个维度，时间是否有更多的维度？这是一个大胆的假设。也许未来会诞生新的理论，时间维度会在其中扮演更有趣的角色。

量子几何

19世纪德国著名物理学家、数学家黎曼的数学发现，描述了任意维弯曲空的几何方法，是广义相对论的数学灵魂。广义相对论断言宇宙的曲率是由黎曼几何描述的。但根据量子力学，认为这种几何方法只能描述大尺度的宇宙。在普朗克长度下，宇宙应该是一种新的几何方法才能适用。而这个几何框架就是:量子几何。

与黎曼几何不同的是，目前的弦理论找不到相应的几何方法，因为在宇宙物理学中，我们仍然把星系当作点，因为它们的大小与整个宇宙相比少得可怜。所以黎曼几何在大尺度宇宙中是适用的。但是在弦理论下，宇宙是由弦(线圈)而不是点组成的，所以黎曼的几何在这个微观尺度上并不适用。

当地物理学普遍认为宇宙始于150亿年前的一次爆炸，但现在的宇宙是仍在膨胀还是在收缩？

这是一个困扰物理学家的问题。因此，他们把宇宙的密度作为一种度量。如果宇宙的平均密度超过每立方厘米十亿分之一克的临界密度(相当于宇宙中每立方米有五个氢原子)，那么就会有足够的引力穿透宇宙，把它从膨胀中拉回，也就是说，只要超过这个密度，宇宙就会开始收缩。如果密度小于这个密度，宇宙引力就会很弱，宇宙就会永远膨胀。

但是我们通常认为宇宙的密度应该远远大于这个密度。目前地球上任何物体的密度都应该大于这个值。但是，物质和金钱一样，会聚集在某个地方，整个宇宙的大部分都是真空区域。就像我们不能把比尔·盖茨的财富作为全球财富的指标一样。

天文学家仔细研究空中星系的分布。因此，宇宙的密度比临界值小得多。按理说宇宙应该还在膨胀。但研究发现，有足够的证据证明宇宙中充满了暗物质，暗物质不参与恒星能量的核聚变，因此不发光，我们无法观测到。那么具体宇宙的密度是多少呢？今天我们不知道。因此，我们不知道宇宙是在膨胀还是在收缩。

如果我们假设今天宇宙的密度大于临界值，那么总有一天整个宇宙会再次收缩成一个点，而且收缩的速度应该是递增的。宇宙最终会回到最初的状态。但是根据弦理论，宇宙在任何维度都不能收缩到普朗克长度以下空。而且弦理论还发现宇宙应该有一个极端小的尺度，因为当卷曲的空收缩到小于普朗克长度的尺度时，弦会溶解收缩，扭曲空的几何。

于是，我们可以得出结论，当宇宙空收缩到普朗克长度时，宇宙会再次开始膨胀，直到密度达到一个临界值，宇宙再次开始收缩，以此类推。

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