8卦时间(12)——String Theory

来源: 2022-05-09 05:50:36 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (16350 bytes)

我们这里5,6月份假期特别多,轮到星期四的话,星期五就是“窗口日”,学校会连着放。我的假期一向跟着学校走——这样不长不短的3,4天,特别合适到山里过周末。

滑雪季过了,已经统统换到夏季节目。有一项,是坐索道上去,然后骑山地车往下冲。我们老二吵吵要冲一次,被我严厉喝止——只要你还在妈妈眼皮子底下,就是你妈妈我说了算!

我对这个,有很大心理阴影啊。

我有一段,是和理论物理的那拨家伙一起混的。记得看过一个心理学方面的研究,说我们习惯不自觉拿职业衡量新认识的人,比如说到医生教授,会不由自主往斯文有礼方面想,说到拉大车的,可能就是粗鲁豪爽了。

完全没有职业歧视的意思,金钱面前人人平等——“富而可求也,虽执鞭之士,吾亦为之” ——你只要让我富贵,拉大车都行啊!(《论语:述而》)

那些,嗯,同事,还有一个共同特点——也巧了,全部壮汉款,最矮一个,弯着腰也有185CM(有趣的是他老婆超过190,是所有同事的老婆里最高的)。不知道是不是心理作用,我BIAS判断他们和常人不太一样——我们有时候互相开玩笑,称对方是alien。

也许平常用脑过度的人会更迷恋极限运动,比如这个骑山地车往下冲。而且,屡教训屡不改。我亲眼见的,是一个家伙缠得像个木乃伊来上班(真记不清缠了多久)。

理论物理的题目,在我看来是如假包换的真科学。String Theory(中文该翻译成弦论还是弦理论?)这种呢,我想,可以理解成科学里的核。

人们眼里看到的三维(待会儿会说到维的概念,特别强调一下)物质世界,或者说四维(加一个时间轴),是完全可以通过居家常用仪器度量的。看到(通过眼睛),测量(普通仪器),描述记录(人类可理解文字)是人类认识世界的第一步。然后呢,牛顿出现了,为什么苹果会落到地上不是飞起来——人们(试图)解释物质世界的现象和其中的逻辑,文明向前走一步。

然后呢?

仪器越来越先进,肉眼看不到的东西,可以用更精密的仪器捕捉到。人类对世界的认识,从宏观世界进入微观世界。分子,原子,…,一直到最小的quark,top quark,tau neutrino和2012年被LHC观测到的Higgs boson。截止到目前的理论,quark被认为是构成物质的基本单元,夸克结合形成复合粒子,hadron。最被大家熟悉的hadron是质子(Proton)和中子(neutron)。

(名词到此为止,说多了,我也晕)

想象一下,这些小小粒子带着能量(energy,电和磁)和物质(matter)在我们看不见的量子场里飞来飞去,互相作用完成能量交换,才能有我们肉眼能看到的稳定的物质世界。理论发展到今天,能比较好描述量子世界并被大家接受的模型是Standard Model,它主要是几个经典量子力学理论的结合,可以(比较完美地)的解释微观世界中的强弱相互作用和电磁力,并且被认为是self-consistent,唯一的麻烦是,遇到宏观世界的重力场,gravity,败下阵来。

本来不想写公式,还是写一个吧,我自己,实在是喜欢这个Schrödinger Equation,

为什么?这是打开微观世界的门啊——解这个微分方程,得到波函数,获得对量子的能量描述——能量(力),是保证我们的物质世界稳定的根本原因(一般量子力学教材的第一章,都会给你这个方程的最简单情况的解析解)。

So far so good。

推广到宏观世界的gravity?麻烦了,解变无穷——学数学的不怕无穷(当然了,一个量而已,而且,无穷,难道不是很beautiful的极限?),学物理的才怕——因为你拿模型解释物理现象的时候,大半对找到的解是有一个基本估计的,如果从模型上得出的解不在预期范围,很遗憾,模型有问题啊!

哎!——比屈原还惨。

其实弦理论最早可以追溯到Heisenberg(他1925年写的论文现在在网上都可以查到,不过是德语,好在基本是从公式到公式,文字可以忽略的那种),大家可能听说过的海森堡矩阵,就是用他的名字命名的。

海森堡这种传奇,可以专开一章来讲。不能离题太远,回到弦论。

既然用一维的点来统一宏观和微观的物质世界有困难,那么,比点带多一点点信息的呢,是什么?

最直接能想到的,显然是2维,弦(string)——用string而不是line,是因为弦有张力(tension),有摆动(vibration)。而且,如果我们想象一下吉他的弦,不难理解弦与弦之间还有协调相互作用。同时,弦本身,即可以是闭合的,又开放的。于是,新假设来了,如果我们zoom in基本粒子,发现它们不是简单的点结构,而是上面说到的弦呢?

不同的弦可以用来描述不同的点(量子)的特征比如光子(photons, m=0,q=0,s=1),或者重力子(gravitons,m=0,q=0,s=2)。括号里的参数大家不必在意,只要知道粒子有所不同就足够,而后者,可以用来解释重力场形成的原因。

弦论比粒子论还有一个优势是,粒子相遇的话,能量交换相互作用要在瞬间即刻完成,而弦论,因为弦本身有空间体积,所以相互作用可以是逐渐完成——这种假设使得再回到SM的话,可以得到对graviton的解(即重力场的解不再是无穷)。

Again. So far so good。

弦论解释了基本粒子的多样性,预测了粒子间的相互作用,可以用来描述重力场的存在。

满意了?不是。

第一,到目前为止,所有的弦理论基本都是围绕玻色子(Boson)的特征展开的,玻色子是基本粒子中描述能量的部分,而另一部分描述质量(matter)的fermions没有被包括进来。第二个问题,解的一部分表明有“虚数”的质量——这在物理上是绝对不能被接受的。

第三个问题,弦理论要在26维的宇宙空间才成立——又到了数学和物理不能互相容忍的范畴。从数学的角度,拿最简单的欧氏空间举例,我们是不在乎多少维的,只要有足够多的不相关向量,你想要多少维我们都能deliver。学物理的看这件事呢?——sorry,多于3维,是不能被接受的。

怎么办?修正模型啦。在弦上增加自旋(spinors)的概念。这个修正,很聪明很好,马上解决了两个问题,1,质量是虚数解的粒子消失,2,解中包含了费米子(fermions)的存在(supersymmetry)。这个修正,被称为super-string理论。

第三个问题呢?仍然存在,不过变得好了一点点,求解得到的宇宙空间,从26维降低到10维。再重复一遍维的概念,维,最简单的理解是不相关的量。到目前为止,在重力场中测得的力,~r2,即和空间距离的二次相关(2次是因为我们在3维空间,3-1=2)。

???

那么,换个角度,站到对面看问题。如果,我们的宇宙(universum)不是3维,而是11维(超维)?不是恰恰可以用现有的弦论来解释?(今天的重力场如果同电磁力相比显然太弱了,反而在高维情况下可以与电磁场产生的力的数量级比较)。如果string theory的度量,10^(-35)米,是宇宙的起点,不是解释了黑洞的理论?

Promising!

这也是人们一直对LHC(Large Hadron Collidar,上次提到的超大型强子对撞机)的期望之一。遗憾的是,(so far)什么也没观测到。Supersymmetry?也没有——更让人沮丧的是,到目前为止的实验观测,比照弦论的推测,基本是反向。

这一路下来,弦论的发展路线就是,有了?——没有——有了?——没有——有了?——没有。

希望——失望——希望——失望——希望——失望,交替。

也许,这正是科学的美丽所在——我说的,的确是beautiful。




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所有跟帖: 

验货 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 05:58:47

我自己再读一遍,发现这个弦论不过是用的泛函的概念。原来居然没想到这一点。 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 08:12:24

哇,终于坐了一回多瑙妹妹的沙发。还可以抱着薛定谔方程。高数课我考完了就再也不想碰它了,幸好也没再碰过 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (275 bytes) () 05/09/2022 postreply 06:52:26

Kirn客气。政治历史人生也很好啊这些我想已经足够牛了,我没有这种缘分和运气遇到这么牛的老头 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 07:07:29

这篇写得极好。物理在某些专业鄙视链里居上游。 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 07:23:33

我们这里倒不是。只有真踏实学下来的才敢选物理做专业。就算找工作基本是指哪儿打哪儿 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 07:38:07

钱钟书讲过这个链,工科居上,理科居中。杨振宁鄙视他。呵呵。还有另外一个 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (336 bytes) () 05/09/2022 postreply 09:08:31

唯一能和物理学家争得是数学家。在你这个笑话里,数学家只要知道这个是可做的,就不care 怎么做和为什么了 -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:24:55

他是讲笑话,钱钟书也是。你如果是认真的,那就错了。donau的不歧视才是对的,是对科学学科的正确理解。 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 14:53:10

杨博士你要和木头较真,那您就错了,您还不如找个计算器去较真呢:) -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:09:49

呵呵,kirn好。多谢提醒。 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:13:24

谢谢你,我在先攻读波兰尼的书呢,你的书我在慢慢看哈:) -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:23:16

波兰尼不用看了,呵呵。我看了他的书还敢写,你猜,我是不是对他的书很满意。 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (0 bytes) () 05/10/2022 postreply 06:48:26

我还看过另一个数学家的笑话 -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (257 bytes) () 05/09/2022 postreply 21:23:37

爱德华·威尔逊(Edward O.Wilson),生物学家,在他的书里解释过这个问题。别的他错得离谱,这个他却解释得很清 -dhyang_wxc- 给 dhyang_wxc 发送悄悄话 dhyang_wxc 的博客首页 dhyang_wxc 的个人群组 (65 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:10:38

我也歧视一下钱钟书,好歹和杨政宁在这个帖子里挤挤坐一下 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:08:40

我上学时候也是物理系课程最难学,高数还有4大力学,现在想想后悔死了。人家中文系外语系的到了周末就跳舞,俺们窝在宿舍里做题 -Shubin- 给 Shubin 发送悄悄话 Shubin 的博客首页 Shubin 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 11:49:39

现在跳还来得及啊 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:30:28

以前是陪着LD 跳,差不多1,2个月就有舞会,平时还得义务陪练各种舞,很烦啊。没想到新冠把俺给救了,哈哈哈。 -Shubin- 给 Shubin 发送悄悄话 Shubin 的博客首页 Shubin 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 17:11:07

多瑙会是个好教授,没把外行绕晕,那么同行间交流起来更得心应手了。重力这事,以后你的单独开一篇,我以前一蹦能老高,现在 -核桃小丸子- 给 核桃小丸子 发送悄悄话 核桃小丸子 的博客首页 核桃小丸子 的个人群组 (288 bytes) () 05/09/2022 postreply 07:32:31

那是重力越来越爱你。不舍得你。多好 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 07:36:35

哎,哥,没有啊,我每天早上开车从家里出门的时候,就看到你一个筋斗云就翻出去了,真是羡慕得我打紧。现在汽油这么贵 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:11:30

“万物由弦组成”,玄吧?哈哈。无欲观妙,妙即量子力学;有欲观徼,徼即广义相对论。“玄之又玄,众妙之门”,就是“玄理论”。 -陶陶三- 给 陶陶三 发送悄悄话 陶陶三 的博客首页 陶陶三 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 08:38:30

嗯,,,三儿你没看懂吧,,,没事没事,我也不懂 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:27:50

在我们道家,不懂,就是懂了,懂,就还是不懂。 -陶陶三- 给 陶陶三 发送悄悄话 陶陶三 的博客首页 陶陶三 的个人群组 (248 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:05:36

你是想说你们道家就是一脑子酱子是吧 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (23 bytes) () 05/09/2022 postreply 20:33:19

有两类理论至今未见有民科人士推翻过 -papyrus- 给 papyrus 发送悄悄话 papyrus 的个人群组 (376 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:11:39

我知道我知道,麦克斯韦,是老键眼里的,,,最美 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:25:35

每次看到这种文章我都会想,唉,还是离开文化走廊吧 -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (71 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:20:10

我也不懂啊。写完了其实也不懂 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 12:26:02

古史故事 -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (396 bytes) () 05/09/2022 postreply 13:01:00

你一拽这种我立马晕菜 -donau- 给 donau 发送悄悄话 donau 的博客首页 donau 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 13:18:22

多脑兄真是脑子好,没事儿了还科普量子物理,估计将来能汇集成书出版。我是毕业了就再不想看那些了,不好玩儿。 -Shubin- 给 Shubin 发送悄悄话 Shubin 的博客首页 Shubin 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 17:17:46

不想看是一回事,自己写是另外一回事啊。不想看是堕落,自己写是情怀。。。我快跑。。 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 17:52:56

现在的粒子物理研究是靠烧钱,可得出的东西(结论和定律) 不持久,能保持50年不被推翻就不错了。可是道家的经典就耐用多了。 -Shubin- 给 Shubin 发送悄悄话 Shubin 的博客首页 Shubin 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 18:03:36

现在哪个不是烧钱。对于好古者,我觉得嘛,你拿着理想国来读也会觉得比量子纠缠值钱的 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 18:45:13

然三载,伯牙续弦。论薛定谔,志在填山,论海森堡,志在灌水。论无文化者,送入城中养起,久滞走廊,仍为木鸡。哈哈,好玩好玩 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 17:51:26

俞伯牙这个渣男! -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (206 bytes) () 05/09/2022 postreply 18:07:56

我也去谷歌搜了,发现该女,其实其名为钟子妻。你说伯牙渣不渣 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 18:50:54

哇,居然被你揪出一件两千年以上的冤案! -木有文化- 给 木有文化 发送悄悄话 木有文化 的博客首页 木有文化 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 19:41:23

donau 这篇讲的不够清楚, -豆角儿- 给 豆角儿 发送悄悄话 豆角儿 的博客首页 豆角儿 的个人群组 (831 bytes) () 05/09/2022 postreply 14:59:40

这下讲清楚了。 -陶陶三- 给 陶陶三 发送悄悄话 陶陶三 的博客首页 陶陶三 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:08:42

对对对,这就是了嘛,道可道,非常道。老子居然把现代物理方程们都预测出来了 -kirn- 给 kirn 发送悄悄话 kirn 的博客首页 kirn 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 15:25:51

最后一张图片很有动感啊~~~ -雪晶- 给 雪晶 发送悄悄话 雪晶 的博客首页 雪晶 的个人群组 (0 bytes) () 05/09/2022 postreply 23:42:29

在宏观世界里,只有弦的能量是量子化的,所以用宏观世界的弦来描绘微观世界,量子化是自然而然的,这是弦论的最大优点 -viBravo5- 给 viBravo5 发送悄悄话 viBravo5 的个人群组 (0 bytes) () 05/10/2022 postreply 10:38:12

看文字,很欢乐,看到公式,就只能干瞪眼着急了,看不懂啊。 -水晶蓝- 给 水晶蓝 发送悄悄话 水晶蓝 的博客首页 水晶蓝 的个人群组 (0 bytes) () 05/12/2022 postreply 02:31:32

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