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隨著《流浪地球》的熱度越來(lái)越高，人們對(duì)于宇宙的興趣也越發(fā)的濃厚了起來(lái)。《宇宙的琴弦》作者布賴恩·格林是世界頂尖的物理學(xué)家，牛津大學(xué)物理學(xué)博士，哥倫比亞大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授。

本書(shū)講述了弦理論產(chǎn)生的背景、基本思想和觀點(diǎn)，介紹了弦理論對(duì)物理學(xué)的影響，使我們對(duì)物理學(xué)這一前沿理論有了一個(gè)全方位的認(rèn)識(shí)。

為什么需要弦理論

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)已經(jīng)被無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)和事實(shí)所驗(yàn)證，它們都是正確的，一個(gè)能夠解釋宏觀世界，一個(gè)解釋微觀粒子。但是在某些特殊場(chǎng)景中，比如在黑洞的中心、大爆炸時(shí)刻的宇宙，物質(zhì)質(zhì)量大而尺度小，這時(shí)我們既需要廣義相對(duì)論，也需要量子力學(xué)。

然而，當(dāng)兩個(gè)理論的方程結(jié)合起來(lái)時(shí)，好好的物理問(wèn)題卻得不出有意義的答案。也就是說(shuō)，此時(shí)二者發(fā)生了矛盾。

為了消除矛盾，讓廣義相對(duì)論和量子力學(xué)兩個(gè)理論協(xié)調(diào)起來(lái)，物理學(xué)家絞盡腦汁，做了無(wú)數(shù)的努力。雖然每次努力都很大膽，都有創(chuàng)新，但仍然沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題。

直到弦理論的出現(xiàn)才基本解決了這個(gè)矛盾。

弦理論到底說(shuō)了些什么

弦理論認(rèn)為，如果把電子和夸克等基本粒子放大，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是由一個(gè)個(gè)小環(huán)構(gòu)成的，每個(gè)環(huán)都像是無(wú)限細(xì)的一維橡皮筋，在不停的振動(dòng)。

物理學(xué)家把這些振動(dòng)的“橡皮筋”叫做弦。弦的不同振動(dòng)模式，形成了不同的基本粒子。弦理論提出了許多顛覆我們通常認(rèn)知的觀點(diǎn)。

比如弦理論認(rèn)為，宇宙的空間結(jié)構(gòu)是11維的。為什么是11維呢？它是物理學(xué)家從弦理論的基本構(gòu)想出發(fā)，經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算得出來(lái)的。只有11維的空間，才能容納所有物理學(xué)定律，才能使它們不產(chǎn)生矛盾。

在十個(gè)空間維中，有三個(gè)維度是展開(kāi)的，也就是我們所感受到的三維世界，而其余的七個(gè)維度是蜷縮起來(lái)的。由于這些蜷縮的維度尺度太小，目前用最精密的儀器也無(wú)法觀測(cè)到，所以我們感覺(jué)不到它們的存在。

又比如，弦理論認(rèn)為黑洞和基本粒子本質(zhì)上是一樣的。此前，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，任何兩個(gè)黑洞，如果有相同的質(zhì)量、力荷和自轉(zhuǎn)，它們就是完全相同的，這跟基本粒子的性質(zhì)是一樣的。

力荷是粒子對(duì)力的作用所產(chǎn)生的反應(yīng)。我們平常說(shuō)的電荷就是一種力荷，它是一個(gè)粒子對(duì)電磁力的反應(yīng)。

物理學(xué)家從弦理論出發(fā)，經(jīng)過(guò)極其復(fù)雜的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在某種情況下，大質(zhì)量的黑洞能夠轉(zhuǎn)化為一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的粒子，在弦理論中，那就是一根以某種特殊方式振動(dòng)的弦。

這樣，弦理論在黑洞和基本粒子之間建立了直接的聯(lián)系。黑洞和基本粒子就像水和冰一樣，是同一種東西，只不過(guò)是兩種不同的表現(xiàn)形式。

弦理論有什么用呢

弦理論解決了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的沖突，讓我們離物理學(xué)的“終極理論”更近了一步。全世界的物理學(xué)家一直夢(mèng)想建立一個(gè)理論，能夠解釋一切自然現(xiàn)象，它的一個(gè)基本要求，就是能夠統(tǒng)一宇宙中的四種自然力，即引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力。

這個(gè)理論就是統(tǒng)一場(chǎng)理論，也叫物理學(xué)的“終極理論”。量子力學(xué)統(tǒng)一了引力之外的其他三種力，但無(wú)法將引力納入其中。弦理論在解決了廣義相對(duì)論和量子力學(xué)矛盾的同時(shí)，實(shí)際上將引力納入了弦理論的框架，因此在建立統(tǒng)一場(chǎng)理論的道路上邁出了重要的一步。

弦理論讓我們找到了宇宙大爆炸的起點(diǎn)。宇宙大爆炸理論得到了大多數(shù)物理學(xué)家的認(rèn)同，但物理學(xué)家們卻無(wú)法描述大爆炸起點(diǎn)是怎樣一個(gè)圖景。

如果讓時(shí)間倒流，時(shí)間越接近大爆炸的起點(diǎn)，宇宙的密度越大，溫度越高。在零時(shí)刻那一點(diǎn)，密度和溫度都達(dá)到無(wú)窮大，這個(gè)結(jié)果是不能接受的。

而弦理論認(rèn)為，在大爆炸的起點(diǎn)，宇宙不是無(wú)限小，而是在各個(gè)維度都有普朗克尺度，你可以把它想象成一個(gè)非常小的火球。

這時(shí)宇宙的各個(gè)維度都蜷縮著，隨著大爆炸的開(kāi)始，三個(gè)空間維度生長(zhǎng)出來(lái)，其余的維度還是保持普朗克尺度。三個(gè)展開(kāi)的維度不斷演化、膨脹，形成了我們現(xiàn)在看到的宇宙。

弦理論讓人類穿越時(shí)空的夢(mèng)想可能成為現(xiàn)實(shí)?；艚鹪岢龃嬖谄叫杏钪?，也有物理學(xué)家認(rèn)為黑洞是新宇宙的種子，新宇宙可以從黑洞中噴發(fā)出來(lái)。

平行宇宙就像飄浮在空氣中的一群肥皂泡，我們的宇宙只是無(wú)數(shù)肥皂泡中普普通通的一個(gè)，通常這些肥皂泡是分離的，但是，連接這些平行宇宙的蟲(chóng)洞可能是存在的。通過(guò)蟲(chóng)洞，人類就有可能在不同的“肥皂泡”間穿行，也就是實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越。

在不久的未來(lái)，我們是不是能夠穿越時(shí)空呢？讓我們拭目以待吧。

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