物理中的夸克是什么意思(宇宙基本单元不是电子、光子、夸克，而是一种“弦”，它是什么？)

Posted 2023-06-02

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物理中的夸克是什么意思(宇宙基本单元不是电子、光子、夸克，而是一种“弦”，它是什么？)

大家好，这里是小播读书，今天我们继续分享科普畅销书《宇宙的琴弦》。

前面我们介绍了弦理论，弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子。而是很小很小的线状的“弦”，弦是一维的，弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以相互转化。在弦理论中，弦的能量有两个来源：振动和缠绕。这两者对弦的能量贡献是不同的，但是在一个弦内，它们是互为反比的。也就是一个高缠绕的弦比如有低振动，一个高振动的弦比如有低缠绕。所以他们的总能量是一样。

弦理论解决了百年科学家的一个重大的矛盾，也就是量子力学和广义相对论的矛盾。但是它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间的思维构成的。为了确定宇宙中的一件事情，我们应该确定它是什么时间，在什么三维空间的地方发生的。这是宇宙基本特性。然而1919年，一位波兰的数学家卡鲁扎向爱因斯坦写了一封信，向这一基础理论提出了挑战，认为宇宙可能不是四维的。超过四维的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横过一道峡谷，从几百米外看，你很容易看到水管是一根长长的展开的线，如果没有特别好的视力，你很难判断它有多粗。从远处看，如果一只蚂蚁在水管上，你想它只能在一个方向，即顺着水管方向爬行。谁问你某一时刻蚂蚁的位置，你只需要告诉他一个数：蚂蚁离水管左端（或右端）的距离。这个例子的要点是，从几百米以外看，长长的一根水管就像是一维的东西。

实际上我们知道水管是有粗细的。从几百米以外你可能不容易看清，但拿一只双筒望远镜，你可以看得很真切。在望远镜的镜头里，你还看到有只蚂蚁爬在管子上，能朝两个方向爬行。它可以顺着管子，它还可以绕着管子，沿顺时针或反时针方向爬行。现在你明白，为确定某一时刻小蚂蚁在哪儿，你必须告诉两个数：它在管子的什么长度以及它在管圈的什么地方。这说明水管的表面是二维的。

从远处看，花园的浇水管就像是一维的。走近来看，水管却是二维的。不过，那两维却有很明显的不同。沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到，绕着管子的那一圈很短，“卷缩起来了”，不容易发现。为看清圆圈的那一维，你得用更高的精度来看这根管子。

这个例子强调了空间维的一点微妙而重要的特征：空间维有两种。它可能很大，延伸远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。当然，在这个例子里你用不着费多大力气就能把“卷缩起来的”绕管子的小圆圈儿揭露出来，那只需要一副望远镜就行了。不过，假如管子很细——像一根头发丝儿或毛细管——要看清那卷缩的维就不那么容易了。

后来1926年，数学家克莱因把它说的更清晰和具体，他认为：我们的宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷曲的维。也就是说，我们的宇宙有像水管在水平方向上延伸的、大的、容易看到的的维度，也有像水管横向的圆圈那样的卷曲的维度，这些维度非常小，以至于我们很难观察到。结合当时最新的量子理论，他们认为，这些卷曲的维度的大小可能小到普朗克长度，是实验远远不能达到的。此后，物理学家把这种可能存在的额外小空间维的思想称之为：卡鲁扎-克莱茵理论。

同时，卡鲁扎的猜想最大的惊喜并不是宇宙的多维度可能，而是根据他的理论，将引力和电磁力这两种毫不相关的力联系起来了。他的理论指出，两种力都伴随着空间结构的波动，引力在我们熟悉的3维空间中波动，而电磁力则在新的卷曲空间中荡漾。在很长一段时间，爱因斯坦和物理学家都认可了这种猜想，但后来，克莱茵发现它与实验结果有很大的矛盾，例如把电子纳入理论所预言的质量与电荷的关系，大大偏离了观察的数值。因此，在此后很长一段时间，宇宙多维理论变成了一个边缘理论。

多年以后，物理学家们发现将多维理论和引力和超对称性结合起来，提出了高维超引力，从而将量子力学和广义相对论融合起来，缓和了它们之间的矛盾。但是物理学家们还是觉得缺少了一个基本的线索将它们缝合在一起，1984年，这个线索出现了。那就是：弦。

90年代中期，惠藤根据他本人和一些物理学家的结果，提出了一个惊人的理论：弦理论实际上需要十一维度，也就是十维度的空间加上一维度的时间，关于这个结论，我们在稍后会详细阐述原因。根据宇宙大爆炸理论，我们可以想象，在大爆炸一开始，三维的空间和一维的时间被展开，一直膨胀到我们今天的尺度，但是其余的空间维度仍然卷缩在一个非常小的尺度中没有展开。

也有一些物理学家提出，有10维的空间维度，是否存在更多维度的时间呢？这是一个大胆的假设。未来也许有新的理论诞生，时间维度将在其中扮演更多有趣的角色。

量子几何

19世纪德国著名物理学家和数学家黎曼的数学发现，描述了任意维弯曲空间的几何方法，是广义相对论的数学灵魂。广义相对论断言宇宙的弯曲性质就是由黎曼的几何描述的。但是按照量子力学，认为这样的几何方法只能描述大尺度上的宇宙，在普朗克长度下宇宙，应该是一种新的几何方法才能适用。而这种几何框架就是：量子几何。

与黎曼几何不同，现在的弦理论还找到不到与之对应的几何方法，因为在宇宙物理学中，我们依然把星系当作一个个点，因为他们的大小与整个宇宙比起来是小的可怜的。因此黎曼的几何学在大尺度的宇宙上适用的。但是在弦理论下，宇宙是由一根根弦（线圈）而不是点构成的，因此在这个微观尺度上，黎曼的几何学就不适用的了。

当地物理学普遍的认可，宇宙始于150亿年前的一次爆炸，但是当前的宇宙是还在不断膨胀还是收缩呢？

这是一个让物理学家迷惑的问题。因此他们将宇宙的密度作为一个衡量的标准，如果宇宙的平均密度超过每立方厘米十万亿亿亿分之一克的临界密度（相当于宇宙中每立方米中有5个氢原子），那么就有足够大的引力将穿透宇宙，将宇宙从膨胀中拉回来，也就是，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，宇宙就将永远膨胀下去。

但我们通常认为，宇宙的密度应该远远大于这个密度，当前地球上任意一个物体的密度都要大于这个值，但是，物质就像金钱一样，会朝某些地方聚集，整个宇宙中大部分是真空区域。就像我们不能拿比尔盖茨的财富作为全球财富的指标一样。

天文学家通过仔细研究星系在空间中的分布，结果宇宙的密度要比临界值小很多，按理说宇宙应该还是在不断膨胀的。但研究发现，有足够的证据证明宇宙是充满暗物质的，这些暗物质不参与恒星能源的核聚变，所以不会发光，我们无法观察到。所以具体宇宙的密度是多少，我们今天还不清楚，因此，宇宙是在膨胀还是在收缩我们也不清楚。

如果我们假设今天的宇宙密度大于临界值，那么有一天整个宇宙将重新收缩成为一个点，而且收缩的速度应该是不断加大的。最终宇宙将回到它的原始状态。但是按照弦理论，宇宙在任意空间维度上都不可能收缩到普朗克长度以下，而且弦理论还发现宇宙应该有一个极限的小尺度，因为当卷缩的空间向着比普朗克长度更小的尺度收缩时，弦会化解这样的收缩，把空间几何扭转过来。

所以，我们可以得出这样一个结论：当宇宙空间收缩到普朗克长度时，宇宙又会重新开始膨胀，直到密度到达一个临界值，宇宙又开始重新收缩，如此往复。

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