從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

在討論M理論之前,讓我們簡單回顧之前的內容。20世紀80年代中期,第一次弦理論革命後,物理學家構造了5個不同的弦理論,它們包括:I型、雜化O型、雜化E型、IIA型、IIB型,而且在微擾論的近似框架下,這些理論顯得各不相同。但近似方法只是在弦理論的耦合常數小於1時才適用,而且物理學家們在研究了每一個理論所有可能的耦合常數值下的情況時,小於1弱耦合和大於1的強耦合,但是傳統的微擾法對任何一個理論的強耦合特徵都不起作用。

最近,物理學家們藉助超對稱性的力量學會了如何計算一個弦理論的某些強耦合性質。發現雜化O型弦的強耦合性質似乎與I型弦的弱耦合性質是完全相同的,反過來也是這樣。而且另外兩個弦理論也滿足這樣的情況。這是一個驚人的發現。

經過一系列的研究發現,直到1995年惠藤發表了關於11維的超引力的演說,標誌著“第二次弦理論革命”到來,惠藤論證說,如果從IIA型弦出發,把它的耦合常數從遠小於1增大到遠大於1,那麼我們所能分析的物理有一個低能的近似,那就是一個11維的超引力。簡單講,1995年惠藤證明了,11維宇宙的存在。那麼11維的理論究竟是什麼呢?在低能條件下,惠藤等人指出,人們忽略已久的11維超引力量子場論就是它的近似。

但在高能量下,我們如何描述這個理論呢?

這個問題至今還在研究中。不管11維理論是什麼,惠藤暫時把它叫作:M理論。M理論是一種結合了5種超弦理論和11維空間的超引力理論的終極理論,也是弦理論的最新一次延伸,對弦理論具有革命性的影響。因此惠藤也被作者稱之為可以和愛因斯坦並列的物理學家,被美國《生活》雜誌評選為二戰後排名第六的“最有影響力的人物”。

從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

同弦論一樣,M理論的關鍵概念是超對稱性。所謂超對稱性,是指玻色子和費米子之間的對稱性。玻色子是以印度加爾各答大學物理學家玻色的名字命名的;費米子是以建議實施曼哈頓工程的物理學家費米的名字命名的。玻色子具有整數自旋,而費米子具有半整數自旋。相對論性量子理論預言,粒子自旋與其統計性質之間存在某種聯絡,這一預言已在自然界中得到令人驚歎的證實。

在超對稱物理中,所有粒子都有自己的超對稱夥伴。它們有與原來粒子完全相同的量子數。玻色子的超夥伴必定是費米子;費米子的超夥伴必定是玻色子。儘管尚未找到超對稱夥伴存在的確切證據,但理論家仍堅信它的存在。他們認為,由於超對稱是自發破缺的,超夥伴粒子的質量必定比原來粒子的大很多,所以才無法在現有的加速器中探測到它的存在。

區域性超對稱性,還提供將引力也納入物理統一理論的新途徑。愛因斯坦廣義相對論,是根據廣義時空座標變換下的某些要求匯出來的。在超對稱時空座標變換下,區域性超對稱性則預言存在“超引力”。在超引力理論中,引力相互作用由一種自旋為2的玻色子來傳遞;而引力子的超夥伴,是自旋為3/2的費米子,它傳遞一種短程的相互作用。

從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

在M理論體系中,時間分為兩種,一種是我們世俗意義上的時間。還有一種被定義為“虛時間”,虛時間沒有所謂的開端和終結,而是一直存在的時間,是用於描述超弦的一條無矢座標軸。

M理論認為能量在自身維度下不守恆,能量會在自身綺翹中逃逸到其他膜,而弦分為開弦和閉弦,引力子弦與另三種弦不同,是一個自旋為2的玻色子,理論中被定義為自由的閉弦,可以被傳播到宇宙膜外的高維空間以及其它宇宙膜,故能量場在自身維度下逃逸了更多。

在M理論中存在無數平行的是膜,膜相互作用碰撞導致產生四種基本粒子,產生電磁波和物種,這就是宇宙大爆炸的原因。

從弦/M理論看黑洞

如果沒有引力的量子力學體系,我們不可能認識發生在宇宙大爆炸時刻和統治著黑洞內部的那些極端的物理條件。隨著弦理論的發現,我今天有希望揭開這些深藏的秘密,今天的內容,我們將從弦理論和M理論來認識黑洞和宇宙的起源。

黑洞是一種理論預言的天體,是空間中的強引力區域,其逃逸的速度等於光速,因此不會有光輻射逸出而得名。黑洞具有一個封閉的視界,外來的輻射或者物質可以進入視界,但是視界內人輻射和物質不能逃逸出去。

從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

黑洞和基本粒子看起來是完全不一樣的兩樣東西。黑洞我們常常描述為一個無限大的物體,而基本粒子則是一個無限小的物體。然而,物理學家惠勒發現任何兩個黑洞有相同的質量、力荷和自轉速度。基於這些特性,一些物理學家猜想。黑洞可能本來就是一個巨大的基本粒子。

在弦理論中,當一個卡-丘空間經過空間破裂錐形變換時,原來的大質量黑洞會越來越輕,最後轉化成一個沒有質量的粒子,就像一個零質量的光子。也就是一根以某種形式振動的弦,這樣,弦理論將黑洞和基本粒子直接聯絡在一起。

黑洞有熵嗎?

黑洞裡是無序還是有序的呢?這個問題要涉及到黑洞熵。眾所周知,熵是一個物理學上用來描述無序和隨機的度量值。1970年,物理學家提出了驚人的思想:黑洞可能有熵,而且量還很大,也就是,黑洞中是高度的無序狀態。他認為,當物質進入黑洞時,它的熵會充分增大,足以抵消我們看到的黑洞外熵的減少。後來經過一系列論證,多數物理學家認為貝克斯坦的思想是不可能正確的,因為黑洞似乎本該是整個宇宙中最有序、攜帶電荷和最有組織的事物。

黑洞有多黑?

從量子力學到弦理論,再到黑洞,宇宙到底還有哪些未解之謎?

黑洞的逃逸速度等於光速,所有進入黑洞的事物將不會逃逸出去。所以,可以想象黑洞當然是黑的,不會發出任何東西。另外,霍金認為,如果黑洞是無熵的,那麼被仍進去的事物的熵就會消失。不過1974年,霍金髮現,黑洞並不完全是黑色的。他認為黑洞是以量子力學的方式發出輻射,黑洞的引力可以將能量注入虛光子,就是說能把兩個粒子遠遠分開,使其中一個掉入黑洞。但是另外一個粒子則可以從黑洞中吸收能量和動力,從而飛離黑洞。霍金認為,如果從遙遠的地方觀察黑洞,可以看到一些虛光子對分裂的最終結果是從黑洞中發射出一個光子,這樣說明其實黑洞並不是完全黑的。另外,霍金髮現,黑洞其實還是溫度的,雖然溫度非常低,溫度大約比絕對零度高一億分子一度,而大質量的黑洞的溫度可以達到百萬分之一度以下,同時也發現了黑洞熵的存在。

但是,黑洞至今還有一些未解之謎,一個是關於黑洞決定論概念的,另外一個是關於黑洞中心點的時空本性的,有科學家認為一個黑洞中心可能隱約地連線著另外一個宇宙的入口,簡單說就是,我們的時間在哪裡結束,相連的另外一個宇宙的時間就從哪裡開始。這兩個問題太過於抽象,這裡就不展開了。

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