量子场论与弦理论:两种描述宇宙的基本框架

作者:admin  来源:Eugene Wang 万象经验  发布时间:2024-03-25  访问量:1262

弦理论和量子场论都是用来模拟宇宙的有用数学框架,它们从不同角度探讨宇宙的基本性质。弦理论提出,宇宙的基本组成部分不是零维的点粒子,而是一维的“弦”。这些弦以不同的频率在不同维度上振动,其组合可以描述宇宙中所有类型的物质、力和能量。相比之下,量子场论认为所有粒子都是遍布宇宙的场中的激发,而力则是由称为玻色子的粒子介导的粒子间相互作用产生的。这个框架描述了粒子和力在亚原子水平上的相互作用,并在粒子物理学的标准模型中得到了巩固。

理论上,这两种理论都能从数学上描述所有的粒子和力。量子场论是我们所拥有的最准确的理论之一,其预测精度在某些情况下可达到十亿分之一。那么,为什么我们还要关注弦理论呢?一个主要原因是,弦理论中10维振动的闭合弦能够模拟出类似于引力子的粒子。
引力子是标准模型中缺失的玻色子,理论上它负责传递引力,类似于光子传递电磁力、W和Z玻色子传递弱力、胶子传递强力。尽管引力子从未被发现,但它们是由弦理论预测的,这使得弦理论在几十年前非常流行。物理学家认为,弦理论可能提供了将引力纳入量子场论所需的数学工具,如果成功,将解决物理学的圣杯问题——引力的量子化。
弦理论最初是在20世纪60年代末和70年代初提出的,用于描述如质子和中子等强子在原子核内的力。后来,量子色动力学作为一种量子场论,被证明能够准确描述强核力,因此弦理论似乎变得多余。然而,弦理论的研究并非徒劳,因为它启发了对质量为零、自旋为2的粒子的数学建模,这些正是引力子的特性。
模拟引力子需要零质量和2自旋的原因在于,我们知道引力以光速传播且具有无限范围。只有无质量的玻色子才能具有这样的特性,类似于电磁力的载体——无质量的光子。自旋2的要求源于两个主要原因:首先,自旋2能够模拟唯一的吸引力——引力。自旋 1,例如光子,可以模拟排斥力和吸引力。其次,引力子的自旋必须为2,以便与我们知道有效的广义相对论相一致,这是目前我们对引力的最佳模型。虽然量子场论也可以描述引力子,但在量子场论中量化引力面临重整化的问题。重整化是使理论在无限小的尺度上有效的过程,但当我们尝试量化时空本身时,会在方程中得到无穷大,因此QFT并未成功量化引力。
弦理论解决了量子引力的问题,但代价是引入了6到7个额外的维度,总共10或11个维度。这些额外的维度从未被检测到,尽管科学家们进行了多次尝试。缺失维度的可能解释之一是紧凑化,即额外的维度可能存在于微小的尺度上,以我们当前技术无法检测到。另一种解释是超维度膜,这个想法是,宇宙可能有比我们所能到达的更多的维度,可能有第四个空间维度,与其他维度隔离。我们必须存在于我们当地的膜之外才能看到这些膜或额外的维度。尽管如此,高维空间的数学仍然有其价值。
量子场论和弦理论是否能结合成一种复合理论尚不清楚,主要为难题在于维度。在量子场论中,我们将粒子定义为具有零维度的点状模糊振动,它们没有明确的尺寸,存在于3个空间和1个时间维度中。另一方面,只有当我们允许弦在至少10个维度振动时,它才起作用。事实上,额外的维度也可以在量子场论中理论化。但到目前为止,我们还不需要它们来使理论发挥作用。只要我们忽略引力,量子场论在我们可观察到的四个维度上就可以很好地工作 。
但它们有相似之处。在量子场论中,粒子被视为场的激发,类似于床垫中的振动弹簧。这些振动的不同能级对应于不同的粒子数量,其中激发的幅度代表粒子的数量。而在弦理论中,粒子被视为振动的一维“弦”,其振动模式和频率决定了粒子的类型。弦的振动振幅也与粒子数量相关,这与量子场论中的振幅概念相似。
弦理论的吸引力在于它提供了一个统一的框架,可以结合标准模型(解释强力、弱力和电磁力)和广义相对论(解释引力)。不幸的是,弦理论似乎并不是一个很好的选择,因为它的预测要么不正确,要么无法测试。科学在不断发展,尽管量子场论目前看似更佳,但未来可能会有变化。我们知道标准模型之外还有未知的东西,弦理论的数学可能为我们提供解决这些未知问题的洞察力。