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本帖被 wowoni 执行加亮操作(2021-10-17)
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如果超空间确实在自然界中存在，而不是仅仅存在于纯数学中，那么弦 理论家们就必须要面对远在1921年就闲扰着希奥多尔卡鲁扎(Theodr Kaluza)和菲利克斯克莱恩(Felix Klein)的同样的一些问题，那时他们建立了 世界上第一个高维数理论:这些高维度存在于什么地方?
卡鲁扎，过去是个默默无闻的数学家，给爱因斯坦写了一封信，建议用五个 维度(一个时间维度和四个空间维度)来构建爱因斯坦的方程式。 从数学上来 讲，这不成问题，因为爱因斯坦那些等式以任何维度都可以写得面面俱到。但是 那封信中包含了一项令人吃惊的发现:如果人为地把这一个五维方程式中所包 含的那些四维部分分离出来，你会自然而然地发现麦克斯韦的光理论， 简直像变 魔术一样!换句话说，只要我们简单地加上一个第五维度，麦克斯韦的电磁力理 论就从爱因斯坦的引力方程中脱颖而出了。虽然我们看不见第五维度，但第五 维度可以形成波纹，而它们是与光波对应的!这是个皆大欢喜的结果，因为过去 150年中，一代又一代的物理学家和工程师都不得不死背艰涩的麦克斯韦方程 式。而现在，这些复杂的方程式轻而易举地就从第五维度中我们可以找到的最 简单的振动中显现了。 想象一池浅水中鱼紧贴着荷叶下面游动的情景， 把它们的“宇宙”想象成只 有两个维度。我们的三维空间可能就超出了它们的体验。但是可以有一种方法 使它们察觉到第三个维度的存在。如果下雨了，它们可以清楚地看到水波形成 的影子沿着池塘的水面漫延开去。与此类似，虽然我们看不见第五维度，但第五 维度中的波纹，在我们看来就是光。 (卡鲁扎的理论非常之美，而且非常深刻地揭示出对称性的力量。后来又 证明，如果我们在爱因斯坦原来的理论中加进更多的维度,并使它们振动起来， 那么这些高维度的振动就会再现弱核力和强核力中的W -玻色子和z-玻色子， 以及胶子!如果卡鲁扎推出的体系是正确的，那么显然宇宙要比以前所想象的 简单得多。只须简单地把越来越高的维度振动起来就可以再现主宰着世界的许 多种力量。) 虽然爱因斯坦对这一结果大为吃惊，但它听起来太完美了，令人难以相信是 真的。随着时间的推移，陆续发现了一些问题，把卡鲁扎的想法驳得一无是处。 首先，这个理论充斥着奇异与例外条件，这是量子引力理论的通病。第二，它还 有一个更加令人不安的问题：为什么我们找不到第五个维度?当我们向空中射 箭的时候， 我们没看到它们消失在另一个维度中。想象一下烟的样子， 它可以慢 慢地弥漫到空间每个地方。由于从来没有人观察到烟消失在一个更高的维度 中，物理学家们意识到，更高的维度即使存在，也必然比原子还要小。过去100 年中，神秘家和数学家都有了有关高维度的想法，但物理学家对此嗤之以鼻，因 为从来没人见过物体进入更高的维度。 为了拯救这个理论，物理学家不得不提出，这些高维度是极小的，所以在自 然界中是观察不到的a由于我们的世界是个四维世界，这就意味着，第五个维度 只能卷在比原子还小的圈里，通过实验是无法观察到的。 弦理论也必须面对这一同样的问题。我们必须把这些没人需要的高维度卷 在一个非常小的球里(这个过程叫做“紧致化”)。根据弦理论，宇宙原来是10 维的，所有的力都由弦来统一起来。然而，10维超空间是不稳定的，于是10个 维度中有6个开始卷[111到一个微小的球中，而其余的四个维度则随着大爆炸四 外扩散开去。我们看不见其他这些维度的原因，是因为它们比原子小得多，因此 没有东西能够进到它们里面。(事实上走近了看，发现它们原来有二维表面，或 者说是管形的，只是由于这第二维从远处看是缩起来的，因此看不见。)引力与其他三种力之间的关系思维才是光速的上限!光速只是人类的速度方法之一! 你想要的速度尽在一颗西瓜大的脑袋中。 引力与其他三种力之间的关系和统一规范场理论说明 在所有的理论中，就目前的认识，引力是最根本的。它是一种时空性质，没有比这个更广的力。甚至将来人们会这样说，宇宙中只有一种基本力，那就是引力! 其余目前所发现的电磁力，弱力，强力都是在引力范畴下的力，所以不应该不存在一种理论，可以将之收纳在一个系统中。 我们来看看其他三种基本作用的定义吧。 引力：引力是一种时空性质，使得物体和能量具有相互吸引的作用叫引力。 电磁相互作用：即是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。它是自然界的一种基本相互作用。电磁力遵循库仑定律。 强力作用：强相互作用是自然界四种基本相互作用中最强的一种。最早研究的强相互作用是核子(质子或中子)之间的核力，它是使核子结合成原子核的相互作用。自1947年发现与核子作用的π介子以后，实验中陆续发现了几百种有强相互作用的粒子，这些粒子统称为强子。 弱相互作用(又称弱力或弱核力)会影响所有费米子，还有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的，恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。 他们的特点： 引力作用：1、长程力，无限长。 电磁作用：1、长程力，无限长。 强相互作用：1、短程力约为10的负13厘米。 弱相互作用1、短程力约为10的负17米到10的负16米。 引力与其他三种力之间的关系和统一规范场理论说明! 接下来我再来了解一下统一理论的研究过程： 首先是弱电统一理论 60年代格拉肖、温柏格、萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论，把弱相互作用和电磁相互作用统一起来，这种统一理论可以分别解释弱相互作用和电磁相互作用的各种现象，并预言了几种新的粒子，他们因此荣获1979年诺贝尔物理学奖，1983年实验发现了理论中预言的粒子，进一步证明了理论的正确性。 1973年，美国科学家帕提和萨拉姆提出了统一描述夸克和轻子的帕提-萨拉姆模型，预言了质子的衰变。 今天我们已经知道自然界一共有4种相互作用，这4种相互作用强度大小和作用范围都相差悬殊，也大相径庭。例如，引力的强度只有强相互作用力的100万亿亿亿亿分之一，引力的作用范围却非常大，从理论上说可以一直延伸到无限远的地方;而强相互作用力的范围却很小很小，只有1厘米的10万亿分之一，说强相互作用力是短程力;弱相互作用力也是短程力，力程不到1厘米的1000万亿分之一，强度是强相互作用力的1万亿分之一;电磁力与引力一样是长程力，但它的强度要比引力大得多，是强相互作用力的1/137。 4种相互作用在性质上看来有明显的差异，然而科学家们却在思索：自然界为什么有这4种相互作用?这4种相互作用是否只有差异而无共同之处? 这4种相互作用能不能在一定条件下得到统一的说明?从科学史来看，第一个认真思索并付诸行动的是物理学家爱因斯坦。爱因斯坦在完成广义相对论的理论建设后，就一直在考虑能不能把引力相互作用和电磁相互作用统一起来。 引力与其他三种力之间的关系和统一规范场理论说明! 从60年代起，温伯格就着手弱相互作用与电磁相互作用的统一。统一之路并不平坦，温伯格甚至不清楚该从哪里入手。从50年代末到60年代，在基本粒子理论领域里，对称性自发破缺理论获得了较大的发展。例如，李政道和杨振宁在1956年就已发现弱相互作用里的一种破缺对称性(即破缺手征对称性)。所谓对称性自发破缺理论，通俗地说，它认为一些不同的现象或规律可追溯到同一源头，最初有着共同的对称性，后来由于种种原因对称性被自发地破坏，这样我们就可以从对称性来研究它们的共性，从对称性自发破缺机制来研究它们的特殊性。 1965年起温伯格也开始了关于对称性自发破缺理论的研究，并渐渐意识到这将是通向相互作用统一理论的合适道路。1967年秋，温伯格终于确定弱相互作用和电磁相互作用可根据严格的、但自发破缺的规范对称性的思想进行统一的表达。他的理论结果发表在这一年的《物理评论快报》上，题目是“一个轻子的模型”。引力与其他三种力之间的关系和统一规范场理论说明! 这是科学上第一个成功的相互作用统一理论。理论中所预言的中间玻色子W和Z，在1983年被欧洲核子研究中心找到。弱电统一理论的成功，肯定了相互作用统一思想的正确性，促使许多科学家进一步去研究把强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一在一起的大统一理论，以及把引力相互作用也统一进去的巨统一理论。 发展到后来的强、弱、电磁三种作用统一理论 70年代中期，人们进一步提出强、弱、电磁三种作用统一的大统一理论。也就是规范场论，规范场论在物理学上具有非常重要性的地位，它精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测，它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。规范场的理念最早由外尔提出，杨振宁的杨-米尔斯理论为现代规范场论打下了基础。 规范场论 (Gauge Theory) 是基于对称变换可以局部也可以全 局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群的规范场论有时也称为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述，当变换在每一时空点同时施行，它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想，它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论的等价原理的一个推广。 上面就是关于宇宙四种基本力的定义，和统一理论简单的过程。为什么引力不能纳入到规范场论中来。 就是我上面说的，引力是时空性质，其他三种里都是物体，粒子在时空的具体物质性质表现。所以甚至可以说只有引力是宇宙基本力，其他的三种力为附属基本力!引力与其他三种力之间的关系和统一规范场理论说明! 也就是说正确的思路，思维应该是这样的。如何将其他三种力纳入到引力范畴中来。 有两个攻克方向：1、引力是时空性质，时空是能量时空。所以将引力能量化，和量子力学去接近，才是正途。2、能量时空必须量子化，建立一个微分的非线性波动方程，或者方程组，这样才能将现有的规范场论规范群SU(3) × SU(2) × U(1)的理论收纳进来。 任何量子粒子的波粒二象性和自发性破缺，不缺定性原理都告诉我们宇宙是一个即确定又不确定的宇宙。
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