每日一句: For what do we live, but to make sport for our neighbours, and laugh at them in our turn? 我们活着是为了什么?不就是给邻居当笑柄,再反过来笑他们。—1995《傲慢与偏见》 跟读

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2014年4月24日 星期四

甲午(马)年三月廿五

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超膜理论即M理论、膜理论。20世纪90年代,理论物理学界在10维空间弦理论的基础上提出了11维空间的膜(M)理论。超膜理论认为人们直接观测所及的好似无边的宇宙是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜。超膜理论使一些原本难以计算的东西可以用弦论工具来做严格的计算了。超膜理论是弦理论的扩充,超膜理论揭示了弦理论的第10维空间方向,其最大维度是11维。

   在九八年二月的‘美国科学’上,有一篇介绍M理论的文章。The theory of M: M stands for magic, mystery or member 。讲了统一场论的最新进展。一个粒子不但有电荷的相吸,还有磁场的相互作用。两者的统一构成引力。我们一直以为影响无限小的粒子的因素与影响着地球般大小的星球的因素是不同的。因为过去的所有理论难以用于同时解释粒子和星球的运动。也难以解释引力的形成。而M理论则正是一种正在形成的可以解释从无限小的粒子到无限大的宇宙的统一场地论学说。文章中说这个理论为近年来越来越多的实验所证实,可能是继 相对论 以来,本世纪最伟大的物理学理论之一。据说在 超弦理论 的研究中,发现十维空间还有理论漏洞,新的膜理论就再在超弦的线上展拓成超膜,以十一层空间来解释宇宙。而只有其中四维空间可为人类所感觉,其余的感觉不到的空间,就如声波和光谱一样,我们人类听不到超声波和也看不到红外线,却不因我们的不能察觉而就可认为根不存在。正是在更高的空间里,物体的电场和磁场相互作用形成万有引力。也只有引入更多的空间才可以解释为什么分子的结构有左旋和右旋的向性不同。 而宇宙的许多自然之谜如 黑洞 、 超自然力 、 意志力 、时空通道等,以更多空间的理论才有可能存在和解释。

基本思想

  这一理论由 霍金 发扬光大,以下的霍金公众演讲《膜的新世界》详细阐述了此思想:
  我想在这次演讲中描述一个激动人心的新进展它可能改变我们关于宇宙和实在本身的观点。这个观念是说,我们可能生活在一个更大空间的膜或者面上。 膜这个字拼写为BRANE,是由我的同事保罗 汤森为了表达薄膜在高维的推广而提出的。它和头脑是同一双关语,我怀疑他是故意这么做的。我们自以为生活在三维的空间中,也就是说我们可以用三个数来标明物体在屋子里的位置,它们可以是离开北墙五英尺离开东墙三英尺还比地板高两英尺,或者在大尺度下,它们可以是纬度、经度和海拔。在更大的尺度下,我们可以用三个数来指明星系中恒星的位置,那就是星系维度、星系经度以及和星系中心的距离。和原来标明位置的三个数一到,我们可以用第四个数来标明时间。这样,我们就可以这样把自己描述成生活在四维时空中,在四维时空中可以用四个数来标明一个事件,其中三个是标明事件的位置,第四个是标明时间。爱因斯坦意识到时空不是平坦的,时空中的物质和能量把它弯曲甚至翘曲,这真是他的天才之举。根据广义相对论,物体例如行星企图沿着直线穿越时空运动,但是因为时空是弯曲的,所以它们的路径似乎被一个引力场弯折了。这就像你把重物代表一个恒星放在一个橡皮膜上,重物会把橡皮膜压凹下去,而且会在恒星处弯曲。现在如果你在橡皮膜上滚动小滚珠,小滚珠代表行星,它们就围绕着恒星公转。我们已经从GPS系统证实了时空是弯曲的,这种导航系统装备在船只、飞机和一些轿车上。它依靠比较从几个卫星来的信号而运行的。如果人们假定时空是平坦的,它将会把位置计算错。

问题的提出

   三维空间 和 一维时间 是我们看到的一切。那么我们为什么要相信我们不能想起不能观察到的它的额外维呢?它们仅仅是科学幻想呢,还是能够被看的到的科学后果呢?我们认真地接受额外维的原因是,虽然 爱因斯坦广义相对论 和我们所作的一切观测相一致,该理论预言了自身的实效(还是失效?我觉得该是失效)。罗杰彭罗斯和我在讨论广义相对论时预言时空在大爆炸处具有开端,在黑洞处有终结。在这些地方广义相对论失效了。这样人们就不能够预言宇宙如何开端,或者对落进黑洞的某人将会发生什么。

理论解释

  广义相对论在 大爆炸 或黑洞处失效的原因是没有考虑到物质的小尺度行为。在正常情况下,时空的弯曲是非常微小的,并也是在相对场的尺度上,所以它没有受到短距离起伏的影响。但是在时间的开端和终结,时空就被压缩成单独的一点。为了处理这个,我们学要把非常大尺度的理论即广义相对论和小尺度的理论即量子力学相结合。这就创生了一种TOE,也就是万物的理论,它可用来描述从开端直到终结的整个宇宙。 我们迄今已经花费了三十年的心血来寻找这个理论,目前为止我们认为已经有了个候选者,称为M理论。事实上,M理论不是一个单独的理论,而是理论的一个网络,所有的理论事物都在物理上等效。这和科学的实证主义哲学相符合。
  在这哲学中,理论只不过是一个数学模型,它描述并且整理观测。(Positivist Philosophy -- A theory is just a mathematical model, that describe and codifies the observations)人们不能询问一个理论是否反映现实,因为我们没有独立于理论的方法来确定什么是实在的。甚至在我们四周,被认为显然是实在的物体,从实证主义的观点看,也不过是在我们头脑中建立的一个模型,用来解释我们视觉和感觉神经的信息。当人们把贝克莱主教的没有任何东西是实在的见解告诉约翰逊博士时,既然他用脚尖踢到一个石头并大声吼叫,那么我也就驳斥这种见解。
  但是我们也许都和一台巨大的电脑模拟连在一起,当我们发出一个马达信号去把虚拟的脚摆动到一块虚拟的石头上去,它发出一个疼痛的信号。也许我们也就是外星人玩弄的电脑游戏中的一个角色。不再开玩笑了,关键在于我们能有几种不同的对于宇宙的描述,所有的这些理论都预言同样的观察。我们不能讲一种描述比另外一种描述更实在,只不过是对一种特定情形更方便而已。所以M理论网络中的所有理论都处于类似地位。没有一种理论可以声称比其余的更实在。
  令人印象深刻的是,M理论网络中的许多理论的时空维数具有比我们经验到的四维更高。这些额外维数是实在的吗?我必须承认我曾经对额外维持迟疑的态度。但是,M理论网络配合得天衣无缝,并且具有这么多意想不到的对应关系,使我认为如果不去相信它,就如同上帝把化石放进岩石去误导达尔文去发现进化论一样。
  在这些网络的某些理论中,时空具有十维,而在另一些中,具有十一维。这是如下事实的有一个迹象,即时空以及它的维不是绝对的独立于理论的量,而只不过是一个导出概念,它依赖于特殊的数学模型而定。那么对我们而言,时空显然是四维的,而在M理论是十维或者十一维的,这是怎么回事呢?为什么我们不能观察到另外的六或七维呢?
  这个问题是传统的,也是迄今仍被普遍接受的答案是,额外维全部被卷曲到一个小尺度的空间中,余下四维几...

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标签: 超膜理论

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更新时间 : 2011-11-22

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