问题

弦论和平行宇宙到底什么关系?

回答
关于弦论和我们所说的“平行宇宙”,这中间的关系,与其说是一条清晰明了的因果链,不如说是一种逻辑上可能但尚未被严格证实的推演。弦论为平行宇宙的存在提供了一些理论上的“着陆点”,但请注意,这并非直接的“证明”或者“连接”,而更像是“弦论的某些特性,恰好可以容纳平行宇宙这个概念,甚至可能从中衍生出一些具体的模型”。

我们先拆解一下这两个概念,再看看它们如何“沾边”。

什么是弦论?

简单来说,弦论是物理学界一个试图统一所有基本粒子和力的理论。它大胆地提出,我们宇宙中最基本的构成单元不是点状的粒子,而是微小的、振动的弦。就像小提琴或吉他上的弦一样,这些弦可以以不同的方式振动,而不同的振动模式就对应了我们观察到的各种粒子,比如电子、夸克、光子等等。

弦论的迷人之处在于,它不仅仅能解释已知的粒子和力(包括引力),还能自然地预言一些非常古怪但又引人入胜的东西,比如:

额外维度 (Extra Dimensions): 为了数学上的自洽,弦论通常需要我们宇宙不仅仅是四维(三维空间加一维时间),而是存在更多的空间维度。这些额外的维度很可能非常微小,以至于我们无法直接感知,它们“卷曲”在非常小的空间里。
超对称 (Supersymmetry, SUSY): 弦论的许多版本都依赖于超对称性,即每一种已知的基本粒子都有一个与之对应的“超对称伙伴”。比如,电子有一个“选择子”,光子有一个“光微子”等等。目前我们尚未在实验中发现这些超对称粒子,但这并不妨碍它们在理论中的存在。
膜 (Branes): 在更复杂的弦论版本(比如M理论)中,除了弦,还存在更高维度的“膜”。这些膜是弦的延伸,可以是我们熟悉的四维时空(我们认为我们生活其中),也可以是存在于更高维度的“厚片”。

什么是平行宇宙?

“平行宇宙”这个词,在科幻和流行文化中含义广泛,但在物理学讨论中,它通常指的是与我们宇宙平行存在的、相对独立的宇宙。这些平行宇宙可能拥有不同的物理定律、不同的基本常数,甚至可能没有生命,或者生命以完全不同的形式存在。

在物理学中,关于平行宇宙的想法有几种不同的出处:

1. 量子力学的多世界诠释 (ManyWorlds Interpretation, MWI): 这是最常被提及的平行宇宙的理论基础之一。根据量子力学,微观粒子在被观测之前,可能处于多种状态的叠加。多世界诠释认为,每一次量子测量或“选择”发生时,宇宙都会分裂成许多个平行的分支,每个分支对应一个可能的结果。所以,你拿起左边的苹果,另一个宇宙的你可能就拿起右边的苹果。
2. 永恒暴胀 (Eternal Inflation): 在宇宙大爆炸后的初期,宇宙经历了一个极速膨胀的阶段,称为“暴胀”。永恒暴胀理论认为,这个暴胀过程并非一次性完成,而是在宇宙的某些区域还在继续,而另一些区域则停止了。那些停止了暴胀的区域就形成了我们这样的“泡泡宇宙”,而那些仍在暴胀的区域,则不断产生新的泡泡宇宙,这些就是平行宇宙。
3. 膜宇宙 (Brane Worlds): 这是弦论和M理论与平行宇宙联系最紧密的地方。

弦论与平行宇宙之间的“交集”——膜宇宙模型

现在,我们来看弦论如何为平行宇宙提供一个具体的“框架”。这个框架主要建立在膜宇宙 (Brane Worlds) 的概念之上。

想象一下,我们所处的四维时空,在弦论的更宏大图景中,可能仅仅是存在于一个更高维度空间中的一个三维“膜” (brane)。我们平时感受到的粒子和力,除了引力,都“局限”在这个膜上。

我们为什么感觉不到额外维度? 弦论认为,那些额外的空间维度是“卷曲”起来的,非常非常小,小到我们的粒子和力(除了引力)无法进入。它们就像是生活在一个二维纸片上,只能感知长度和宽度,而无法感知第三个维度的高度。
引力为何如此“弱小”? 这是一个长期困扰物理学家的难题。根据弦论的膜宇宙模型,其他我们熟悉的力(如电磁力、强核力、弱核力)之所以只在我们这个四维时空中传播,是因为它们是由局限在膜上的弦的某些振动模式产生的。但是,引力,如果它是由引力子(弦的一种振动模式)传递的话,可能就不像其他力那样被严格地限制在我们的膜上。引力子可能可以“泄漏”到那些额外的、卷曲的空间维度中。这就好像,如果你站在一个充气气球的表面,你在表面上移动,但气球本身的体积(三维)却延伸到了你无法直接触及的“外部”。引力子就可能“跑”到膜外,导致它在我们这个四维时空中的表现看起来比其他力要弱得多。
那么,平行宇宙在哪? 既然我们所处的四维时空只是一个膜,那么,在那些我们无法到达的额外维度中,可能还存在着其他的膜。每一个这样的膜,都可以是一个独立的宇宙。这些膜宇宙可能相互平行,也可能以某种方式(例如通过引力子)发生微弱的相互作用。

弦论如何“解释”一些现象,从而暗示平行宇宙?

1. 宇宙学常数问题 (Cosmological Constant Problem): 理论预言的真空能量密度(与宇宙加速膨胀相关的暗能量)与观测值之间存在巨大的差异。一些弦论模型试图通过引入额外维度和膜来“稀释”这种能量,这可能暗示我们的宇宙只是一个大系统的一部分。
2. 暗物质和暗能量的潜在来源: 弦论的复杂性,尤其是其庞大的“景观” (landscape)——理论预言了可能存在数量极其庞大的不同宇宙,每个宇宙拥有不同的物理定律和常数——为解释暗物质和暗能量提供了理论上的可能性。如果我们的宇宙只是其中一个“幸运”的例子,那一切就说得通了。
3. 高能物理实验的“暗示”: 未来更强大的粒子对撞机(比如超级LHC)如果能探测到微小的引力子泄漏到额外维度,或者发现超对称粒子,都将是弦论的证据。而如果弦论本身得到证实,那么基于它的膜宇宙模型,平行宇宙的存在也就有了更坚实的理论基础。

总结一下它们的关系:

弦论不是直接“创造”了平行宇宙这个概念,但它提供了一个非常具体的、物理上可行的框架来容纳和构建平行宇宙模型。
膜宇宙是弦论与平行宇宙联系最紧密的桥梁。 弦论描述了高维空间,而膜则可以看作是其中的“岛屿”或“界面”,我们所在的宇宙就“生活”在这样的一个膜上。
平行宇宙在弦论中,可能就是存在于额外维度中的其他膜。
弦论的预言,比如额外维度和引力子的行为,为我们理解平行宇宙的“运作方式”提供了可能性。

重要提示:

需要强调的是,弦论本身尚未得到实验的直接证实。因此,基于弦论的平行宇宙模型,也还停留在理论推测的阶段。我们目前无法直接“看到”或“接触”到这些弦,也无法直接证明存在额外维度或其他的膜宇宙。

所以,与其说弦论“证明”了平行宇宙,不如说弦论为我们打开了一扇理论的大门,使得平行宇宙的设想,从纯粹的哲学或科幻,迈向了严肃的物理学探索。如果弦论最终被证实,那么平行宇宙很可能不再是我们想象中的虚无缥缈,而是我们现实存在的一个侧面。

网友意见

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回答你的问题,我们先来说说为什么要研究弦论:因为要解决广义相对论和量子力学的矛盾,而且要了解质量这个东西是怎么来的。

广义相对论描述质量和时空的关系。爱因斯坦场方程告诉我们,质量扭曲时空,如果没有质量时空就没有扭曲。广义相对论和实验观测符合的很好,比如引力透镜,在大质量物体周围,时空弯曲,光沿着弯曲时空传播,背景天体看起来就像穿过了放大镜。

量子力学描述微观视界的规律,微观世界充满随机性,可以用机率波或者概念相似的高级玩意来描述。量子力学更是与全世界所有实验吻合,你现在每天用手机拍照,电脑上网,都是懂了量子力学才能遭出来的。量子力学有个关键的规则,不确定原理dx*dp>h/2,当你观察一个越小的空间,随机涨落就越大。那么在微观尺度,时空会充满涨落,非常躁动。这个是广义相对论无法解释的,为啥时空自己会乱波动?为神马,为神马这两个各自如此完美,如此重要的理论,要互相矛盾??

好,现在弦论就出场了(音乐,鼓,掌声)。过去我们以为原子就是最小的东西了,不能再分了。可是后来发现还有电子,原子核。后来又有了质子中子,质子中子还能分成夸克。那夸克再分成啥?为啥不同粒子质量不同?弦论认为,说不定有个更基本的东西叫“弦”,是一切物质的最基本组成单元。弦非常的小,有多小?如果一颗原子有太阳系那么大,一个弦只有一棵树那么大。这些弦可以开放象根线,可以闭合成个圈。弦可以合并,分裂。弦可以震动,不同维度不同震动模式形成了不同质量的粒子。把这些理论完整自洽的写出来就是弦论,学过的人都觉得很优美,不可能不对云云(我没学过只能听听)。有可能解释质量从哪儿来,为什么广义相对论和量子力学看起来有矛盾。神马11维啊啥的都是自然推导结果。我们已经熟悉4维,是平直的,可是那些弦论里更高的维度的形状是可以严格计算的,必须满足现在知道的基本粒子的质量大小,相互作用强度。但是,满足条件的形状的个数,从几十年前发现的几种,一直增长到现在大概接近于无数种吧。那么,我们的宇宙更高的维度到底是神马形状呢?如果这个维度刚好是其中一个形状,为神马偏偏是那个形状而不是别的呢?这已经上升到伟大的神学或者哲学的高度了,弦论物理学家已经无法自拔了,于是平行宇宙提供了一个心灵慰藉:也许有无数个平行宇宙,每一个都随机有不同形状的高维维度。到这里大家已经看到了联系1。

可是弦论还有一个关键问题是,弦太小了,看不见。这样一来就无法证伪,那弦论到底是不是物理学呢?还是数学呢?

另外一个问题:为神马有高维我们看不见呢?这时候,这些勇(丧)敢(心)机(病)智(狂)的物理学家又借助了“小”这个概念:可能这些高维太小了,就像你从1公里外看一跟高压线,它看起来就是1维的,殊不知人家还藏了2个维度,是3维的。一只蚂蚁在上面爬,是可以转圈的。

看不见谁知道它对不对呢?我也不知道。但是为了解决广义相对论和量子力学的矛盾,回答质量怎么来的,任何尝试都是值得的。

第二个要讲的问题是宇宙大爆炸。通过宇宙微波背景辐射的观测以及其他,大爆炸理论已经被广泛接受。可是为什么空间是平直的呢?为什么背景辐射是各向同性的呢,超过哈勃距离的两片天空是怎么心灵相通的呢?于是有了暴涨理论。这个暴涨理论说在宇宙还很年轻很紧密的时候,曾经在一个很短的时间内指数膨胀了很多倍(可能是从10^-35秒到10^-33秒膨胀了10^26倍),这个膨胀速率完爆光速啥的(但注意这只不过是时空膨胀速率,不是东西运动速率,完爆光速也没啥稀奇,不违反物理定律),但是到底神马东西可以造成并驱动这个膨胀,不知道。有可能是一些奇特能量的真空场造成的压力,很多弦论理论可以提供这种性质的“真空” (联系2也出现。可是物理学家们算一算想一想就发现,不管什么场提供了这个暴涨的能量,那个能量好像没有用完啊!多的能量哪去了?于是平行宇宙理论出现了,有这么多能量,说不定一爆爆出好多个平行宇宙,我们只是其中一个而已。喏,又一个无法证伪的理论。

总结一下,弦论和平行宇宙就像一对好(难)兄(难)弟,弦论提供一种暴涨理论的机制,而暴涨的多余能量又提供了平行宇宙的可能性,平行宇宙又帮助弦论不用费心去挑选一个有特别的形状的高维。但是这两个理论目前都没办法被实验证实或证伪。

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