弦理论可以用来解释吗（上帝拨动的琴弦）

当上帝用他的琴拨动着弦，于是宇宙诞生了！

量子力学和广义相对论是现代物理学的两大基石，广义相对论解释宏观世界，而量子力学解释微观世界。

虽然两种理论都在各自的领域里解释的很好。但是，宏观世界由微观粒子组成，人们还是无法相信，同一个宇宙居然要两种不同的理论来各自解释。

这种尴尬的处境迫使爱因斯坦为此消耗掉他的整个晚年。即使去世时也未能取得丝毫进展。

爱因斯坦

弦理论的诞生

在物理学中，宇宙中存在4种基本力：

1、引力：即万有引力。2、电磁力：来自不同电荷之间的相互作用。3、强力：即将夸克结合到一起的力，核力本质上也是电磁力，只不过是只限于夸克之间。4、弱力：即改变粒子但不对粒子产生推或拉的力，发生在原子核裂变和聚变的过程中。

我们知道，万有引力的产生是因为物体质量相互之间的吸引，质量越大，引力越大。

但是为什么有质量的物体相互间会产生这种吸引力呢？

强力：将质子中子结合在一起的力

爱因斯坦对此解释为：宇宙空间的本身是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间应该是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就会发生弯曲凹陷。这就像一张平铺的很直很平的织网，当在织网中间放上一块铁球，织网就会凹陷下去，而万有引力就是因为这样的空间弯曲所导致的。

引力由空间扭曲导致

在此，引力的本质被漂亮地描述成空间的扭曲，广义相对论对此进行了圆满的解释。

但是，空间扭曲却解释不了其他3种基本力：电磁力、核力和弱力。

爱因斯坦曾试图假设世间所有的物质都是由空间扭结和振动而形成，也就是说，我们所有看到的一切可能本质上都是幻觉，只不过是其他形式的空间扭结。

如果这种思想是正确的话，那么另3种基本力必然本质上与引力一样，都是空间扭结的结果。

然而，真实情况的微观世界中，空间压根不是平直光滑的。粒子间的相互作用可用一个“热闹”形容，因为粒子无时不刻都在活动。所以不可避免，很多粒子现象根本无法用广义相对论进行解释。

量子力学: 既是粒子又是波！

而在量子力学范畴内，力是由粒子的交换产生的，电磁力是有光子交换而来，强力由胶子换而来，弱力由弱规范玻色子交换而来。故电磁力、强力和弱力都可以得到很完美的解释。

但是，量子力学在解释万有引力是乏力的。因为万有引力虽然很弱，但是作用距离非常之长，它无法通过粒子间的交换来获得。

中微子

于是，我们不得不面对这样一个现状，构成现代物理学的两大理论基石，量子力学和广义相对论在理论上居然不统一，这无疑成为了现代物理学的一大伤痛。

人们很难相信，在宇宙的微观层面和宏观层面，二者居然不是统一的，居然要用两种理论对此进行解释。

伴随着量子力学和广义相对论的不统一，科学家不得不去认真思考：也许基本粒子的内部存在一种更深层的结构，只是这种结构尚未被我们所理解。

于是弦理论（也称弦论，一般专指加入超对称性的超弦理论）得以诞生！

何为弦理论？

弦理论认为，在每个基本粒子的内部，都有一根由细细的“线”在振动，就像小提琴的琴弦一样，因此这根细细的线被科学家形象的称为“弦”。

不得不说，在这里，“线”和“弦”和我们真实世界的线和弦要区分开，二者之所以会被科学家赋予相似性，其实就是因为弦具有振动性特质，是一种能量的表现形式，这个“弦”本质上应该类似一种波，是能量的一种形式而已。

弦论：由振动的“能量线”构成实物粒子

回到正题，我们知道，当你以不同频率拨弄琴弦会产生不同的声音。

就像琴弦不同的振动方式一样，粒子内部的“弦”以不同方式进行振动，产生的不是声音，而是产生一个个的基本粒子。不同基本粒子的性质由弦的不同振动行为来决定。

电子是某种振动形式的弦，夸克是另一种振动形式的弦，等等。

通过弦理论，这些基本粒子的组成被很好的进行了解释，而这自然也就伴随着这些4种基本力中的3种，电磁力、核力和弱力，得到了一定程度的解释。

琴弦

这时，4种基本力中只剩下引力未能得到解释，也正是这个原因，弦理论曾经一度陷入停滞，直到更深入层度的弦理论的出现，引力也得到了相应的解释。

类似点、线、面的空间维度构成，弦理论也由原来的点弦论（构成基本粒子的弦论）到了线、到了面弦论，只不过此时它还突然有个另外的名字，膜理论。

膜理论如何解释引力？

膜理论认为，弦构成了组成物质的基本粒子，在粒子的世界里，基本粒子数量的叠加构成更高一级的结构，比如质子、中子、原子、分子等。

弦不同于基本粒子世界，因为弦和正常粒子的三维空间（至多再加一维时间，4维）不同，弦有10维到11维。

虽然我们人类因为自身观察的限制还不能认识到4维（我们生活的三维 时间一维）以外的空间具体表象。但就像我们肉眼无法察觉到空中的电磁波一样，无法察觉并不代表不存在。

根据弦论的数学推导，弦理论至少需要10维，这些维度是弦来运作的自由通道，也像基本粒子通过三维空间由小质量点状物质到大质量立体物质的过程一样。

量子弦

弦通过11维空间由原来单一“弦”聚集变成了膜状“弦”。

这里的“膜”并不完全是三维空间里膜所折现出的平面的意思，只不过是科学家对这种更高级别的“弦”的一种称谓。

按照弦理论，构成基本粒子的“弦”是最小单位，在此基础上，弦可以连接成长弦，也可以由长弦进行分割形成短弦，但是有一个前提，对最小单位的弦再进行分割在理论是不被允许的，因为“弦”被从一开始就被认为是不能再分割的单位。

我们知道，引力作用的范围不同于其他三种基本力，引力作用的范围非常之远，可以在恒星到行星之间，也可以在星系到恒星系之间，而其他3种基本力的作用范围很小，都在10^-33cm以内。

在大爆炸的极短时间里，引力逃脱出来

对于这一点，弦理论认为，在宇宙大爆炸的极早期，4种基本力是统一的。

当宇宙处在10^32K这样极高的温度（这温度比我们得到的太阳的温度高10^26倍）时，引力与其他大统一力分离开来，引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力。

随着宇宙进一步胀大和冷却，其它三种力也开始破裂，强相互作用力和弱—电力剥离开来。

当宇宙产生10^-9秒之后，它的温度降低到了10^15K，这时弱—电力破缺为电磁力和弱相互作用力。

在这一温度，所有四种力都已相互分离，宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后，随着宇宙进一步冷却，夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后，稳定的原子核开始形成。

因此，弦论认为引力是随着空间、时间、物质一起从原来10^-33cm以内范围得到挣脱的，而其他三种基本力等仍然被局限在10^-33cm以内。随着宇宙的冷却和极不对称性，使得四种力出现天差地别的差异。

自此，弦论基本让宏观和微观得到初步的一致解释。

膜理论如何去解释宇宙大爆炸和黑洞呢？

膜理论认为，世界不止一维，而是10-11维，我们的宇宙也不是唯一的宇宙，我们的宇宙存在于一张膜上。类似，有一个与我们相对应的影子宇宙存在另一张膜上，两张膜之间的距离在1cm以内，二者之间的空隙构成第四维，两张膜一般不会发生任何交叉，各自运行。

宇宙大爆炸模型

直到两张膜之间因为聚集很多能量而发生振动时，两张膜发生了交叉，这个交叉的地方，就是宇宙的起始的奇点或黑洞的奇点，两张膜的交叉处形成各自宇宙的奇点，并对各自宇宙释放辐射和能量。

看到这，大家肯定震惊了，黑洞除了会吸引物质和能量，还会对外释放东西，确实是的，这个已经被得到证实了，科学家多认为这种被释放的物质不是我们能察觉的，称之为“暗物质”，但是“暗物质”这种物质已经被证明真实存在。

如此一看，膜理论在解释“奇点”这种概念时，也得到完满的答卷，这也是为什么霍金说，膜理论几乎是近30年来唯一可能硕果仅存的理论了。

混沌：无空间、无时间，无物质，只有能量

总结

虽然膜理论、弦论在很多地方还是有待发展的，对于很多现象的解释弦论还是遇到盲点。

但是，这是人类第一次有一种理论能够将现代物理学的两大基石统一起来。

我们也能从弦理论中，似乎看见上帝在用他的琴弹弹奏出了我们现在这个宇宙。

作者:蚊子与茶杯

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