物理宇宙学百科

广告

方程和解

2012-07-13 13:23:55 本文行家:宇宙与道

自然界存在各种各样复杂的现象,每个层次上有着不同的规律在起作用,据此可以分成物理,化学,生物,地质,天文等学科。地质是构成地球的诸物质,如大气圈,水圈,固体地球等物质的物理和化学,生物作用;生物学,基本上是生物体内的各分子之间的化学规律在起作用;而化学现象则都是原子核以及核外电子之间的相互作用。天文的基础是核物理,天体力学,磁流体力学,宇宙学等物理学。总之,所有现象可以还原成一些物质单元之间的相互

自然界存在各种各样复杂的现象,每个层次上有着不同的规律在起作用,据此可以分成物理,化学,生物,地质,天文等学科。地质是构成地球的诸物质,如大气圈,水圈,固体地球等物质的物理和化学,生物作用;生物学,基本上是生物体内的各分子之间的化学规律在起作用;而化学现象则都是原子核以及核外电子之间的相互作用。天文的基础是核物理,天体力学,磁流体力学,宇宙学等物理学。总之,所有现象可以还原成一些物质单元之间的相互作用(也叫“力”)。归纳无数实验事实发现,共存在四种基本相互作用:电磁相互作用,弱相互作用,强相互作用,引力相互作用。只存在这么少的力,看来我们的世界还是很简洁,易于理解的。前几年一些天文学观测促使有人提出还存在第五种力(quientessence 理论),但这些观测资料有很多其他的代价不那么大的方式来解释。

 

日常生活中几乎所有的现象,都是电磁力的体现。比如几乎所有的生物和全部化学现象,都是电磁力引起的;人能看,听,说,触摸等,是靠了电磁力;人能劳动和娱乐,主要是靠着手来进行,手的各种动作,都是靠了电磁力。除此之外,大家熟知的还有引力相互作用,就是万有引力。电磁和引力相互作用都是长程相互作用。另外存在弱相互作用和强相互作用,都是短程力,在亚原子粒子之间起作用。在原子核里面,质子和中子不跑出来,就是强力弱力电磁力平衡的结果。

 

物理学的一个趋势,就是把各种不同的相互作用统一起来。早先,牛顿认识到支配天体的力和地面上的力是相同的,麦克斯韦发现电现象和磁现象本质上是相同的,就是很好的例子。每一次统一,都是对自然界的认识上的一次极大提高。在二三十年代,曾经有一个努力,试着把电磁力和引力统一起来,爱因斯坦晚年的时候也在做一类工作,不过都没有成功,一个原因是那时候人类还没有认识清楚弱,强力的性质。到六十年代的时候,实现了电磁相互作用和弱作用的统一(标准模型),这是温伯格和萨拉姆的著名工作。到七十年代,有了将电弱强三种相互作用的大统一理论。这些不同的力,在高能标的时候是同一种力,随着能标的下降,在不同的区域,表现为不同的力。现在只剩下引力和其他相互作用还未统一了,这一问题直到今天还未获得解决。

 

统一四种基本相互作用的(几乎唯一的)一个候选者是弦理论。它认为构成物质的是极小的弦,存在一个最小的空间尺度(物质不是无限可分的),弦的不同的振动代表不同的物质。计算表明它含有传递引力相互作用的引力子,可以统一四种相互作用力。弦理论能自恰的吸收以前的好东西,比如超引力,超对称,高维时空,标准模型,大统一,等等。

 

 

超弦要求时空维数是10维,而可观测的世界是1+3维的,所以一般的做法是认为其余六维是高度卷曲的,体积很小,只能在高能标下看到。那么,如何验证它到底对不对呢,跟观测如何结合起来呢?这就需要采用采用紧致化,就是保留4维时空不变,把额外的六维空间压缩,让它的体积变得很小,也就是说让它绕着一些特定的方向缠绕起来,这样做会产生许多新的四维粒子,从而可以做出一些预言,可以在天文观测和加速器中来验证。

 

如何知道弦理论是否正确的描述了我们的世界呢?要描述一个宇宙,我们只需要给出这么一些非常少的基本要素:物质的构成方式和相互作用,时空结构,宇宙的演化。这些,用几行字就可以描述了,关键信息量大约是几百个bit.比如,我们今天的宇宙是 1+3 维近似平坦,加速膨胀的,宇宙学常数约等于临界密度.物质的结构和相互作用则是采用U(1)*SU(2)*SU(3)标准模型来描述的,有手征费米子,有三代夸克和轻子,等等.标准模型已经被现有实验完美地验证了,除了还没找到Higgs 粒子外。如果弦论是正确的,那么这个信息量将进一步减少,因为标准模型还有19个参数,比如一些粒子的质量电荷,相互作用强度等等,而这些从理论上来说,可以从弦论计算出来。比如早在八十年代,用杂化弦作紧化构造E6规范理论时就发现,粒子的代的数目等于紧化空间的欧拉示性数的一半,就是说,这不是一个基本参数,是可以计算出来的。

 

这里提一下方程和解的关系。通常我们认为物理规律是方程,比如经典力学里面,万有引力定律是一个方程,而地球的具体轨道是一个解。不同的解,轨道的参数不同,在不同的初始动能下,甚至形式都有可能会不同。要完全确定方程的所有参数,还需要知道初始条件(某一特定时刻的位置和速度)。

 

在我们这里,方程是各种超弦理论,得到的解是四维时空中的物理规律,比如物质构成和作用方式(可能会得到不同于标准模型的规范场论和基本粒子),宇宙学常数,时空结构。而初始条件呢,大概就是宇宙早期的物质形态。当然也有许多不同的观点,认为不需要初始条件,可以自动演化。天文观测表明,宇宙学常数是正的,于是我们需要构造带有正宇宙学常数的,物质的结构和相互作用是标准模型描述的解。

 

可是,超弦理论还不完备,无法给出一个动力学的解,目前只能构造一些toy model,算一点点我们能计算的。具体说,出发点是几种相互对偶的超弦理论以及统一他们的尚在构造中的 M 理论,而在作紧化的时候,采用一些特殊的能操作的紧化方式(其区别在于内部空间的几何不同),而为了得到正宇宙学常数,通常要在模型中手放一些n-form场,我们把这两者叫做背景,这样一来就有很多的自由性。最终发现,存在着10^500种可能的解,为什么这么多呢,就是因为有着很多不同种类的时空背景和n 形式场背景。

 

这似乎是一个冷笑话。曾经希望,能够从基本原理出发,来唯一计算出我们的现实世界,比如电子电荷,电子和质子作用的方式,时空结构等等。现在这种做法,看来是能够构造出类似现实世界的宇宙的,可是这种解太多了些,有10^500,到底哪一个才是现实世界?我们能否找出其他原理来做一些约束,来唯一的给出我们的宇宙?或者,也许不存在这样的机制,让我们干脆认输,采用人择原理?这是很有趣的问题。

百科的文章(含所附图片)系由网友上传,如果涉嫌侵权,请与客服联系,我们将按照法律之相关规定及时进行处理。如需转载,请注明来源于www.baike.com