从“弦理论”视角看量子力学

张梦瑶

摘 要：人类科学经过三百余年的发展，对宇宙仍旧知之甚少。从牛顿发现了万有引力定律到麦克斯韦发现电生磁、法拉第发现磁生电现象，再到爱因斯坦将时间空间与引力三者紧紧地结合在一起，仍未提出一个能将力学和电磁学统一在一起的理论。本文从“弦理论”出发，以“弦理论”视角试论了其与量子力学、多维空间和大一统力学的理论之间的关系，希望能为后续研究提供一些想法。

关键词：弦理论;量子力学;多维空间;相对论

1.“弦”的诞生

不同的研究者有不同的观点，一部分科学家认为物质是以“弦”的形式存在，即“弦理论”[1]。其指出，粒子是不存在的，在空间中运动的仅弦而已，所谓的粒子其实是弦的各种振动模式[2]。所有的相互作用都是能量与物质，皆可用弦理论来解释，弦的不同振动形式产生了不同的离子。最有趣的是，弦的运动并非常见的三维运动，其实是一种高维空间运动，这在三维空间里是难以想像的。人们对于空间或许存在错误认识，空间所具备的形式或许已超过了三维空间的我们的想象[3]。但是这种高维度、高能量、高温度的空间比较不稳定，类似于气球的膨胀过程，最后导致大爆炸的发生。其结果是降低了维度、消耗了能量、引起了温度的降低、一维时间与三维空间无限延伸，直到产生了如今我们能够看到的宇宙。

爱因斯坦所持有的相对论研究的是引力相关理论。物体由于质量互相吸引而产生了引力，物体的引力与质量呈正相关性。而质量是如何产生的引力的呢？为何如此微弱的引力在宏观范围内能够发生作用？例如两块石头两个人之间的引力几乎可以忽略不计，但是两个天体之间的引力就十分明显。爱因斯坦的相对论解释这这个问题：空间其实也有形状，若该空间为真空即没有物体存在，空间当为平直而光滑的。若这时有物体来到空间，就会使空间的形状发生了弯曲。这就好比在一个平滑的床垫上放入一个铅球，放入的瞬间床垫会发生凹陷，而引力的产生就是基于此。这就解释了为什么地球会在太阳轨道上绕行，原因在于太阳的质量使得周围空间形成了一个凹陷，这个凹陷使得地球滚入其中。因此，质量不大的物体之间的引力作用可以被忽略。引力呈现出美丽的几何形状，但在相对论里其实引力本身并不存在，是由于质量引发空间扭曲产生了万有引力现象，引力的本质被广义相对论圆满地解释了。

量子理论认为微观世界存在200多种基本粒子，这些粒子组成了微观世界，这些粒子由于质量小到趋近于零，轨道变幻莫测，没有规律可以找寻。四大基本力中的三种电磁力、强力和弱力可以由粒子交换产生，例如电磁力就是由交换光子产生的。然而，由于空间扭曲所引发的引力无法经由粒子交换而形成，同时，微观世界里的粒子，其质量相当的小，而且运动的毫无规律，如何能说其在微观世界可以引发作用？由此可见，量子理论无法涵盖引力。所以，广义相对论和量子力学是难以统一的，这即是当代最大的物理学的难题。科学家始终相信，宏观与微观层面的世界应当是个连贯的总体，难以设想宇宙可以经由2个毫无关联的理论拼凑而成。为了让这两个理论可以统一起来，科学家提出过许多设想，但是这些设想或者是修正相对论或者是修正量子力学理论。尽管这些理论都在一定程度上解释了问题，但是仍然不能很好地将两种理论统一起来。

2.“弦理论”的设想

根据“弦理论”模型，能够预测出微观世界存在62种的基本粒子，到目前为止，只有两种基本粒子仍未被发现，一种是希格斯粒子，另外一个是引力子。引力子作为传播万有引力作用的粒子，其自旋数是2，在“弦理论”里面，引力子是一种比较特别的粒子，这是由于引力子的“弦”是闭合的，和光子电子等其他粒子拥有的“开弦”有所不同。一般粒子的“弦”是被“膜”所束缚靠在两个端点上不断振动。而引力子的“弦”是闭合的，不受“弦理论”所谓的“膜”束缚，可以自由运动。通过“弦理论”的进一步推导，能够得出我们所在的宇宙仅仅是数千亿个宇宙之中的一个而已，这就是所谓的“平行宇宙”假说。这解释了宇宙大爆炸的原因，即两个更高维度的宇宙彼此碰撞而产生的。而这种形式的碰撞并非只有一次，而是一次又一次的碰撞，进而形成了我们现在所在的四维宇宙。

如果宇宙是一个气泡的话，那么我们所在的宇宙边缘是一个“膜”，“膜”内就是我们所在的宇宙。这个宇宙中的粒子被“膜”所束缚而不能够进入别的宇宙之中，但是引力子去可以不受“膜”的束缚，这就解释了为什么引力看起来要比其他作用力更弱。通过“弦理论”可以进一步猜想，我们设想一下如何与更高维度空间的“外星人”沟通，可以通过引力子的波动来完成彼此的交流，通过“虫洞”来把引力子发送给“外星人”，这其实看似疯狂，在“弦理论”中却是合理的。

从上文的论述可以得出，在宇宙大爆炸后，产生了两种粒子，一个是高速运动粒子，比如说光子，另外是运动较慢的粒子。那这能不能说明我们的外围宇宙正在以光速膨胀呢？从观察结果来看，我们的宇宙尚未到达光速的膨胀速率。此外，根据“弦理论”光子不能够脱离宇宙的“膜”，一旦我们的宇宙外围的“膜”膨胀到达光速，那么我们就会和别的平行宇宙发生撞击，因此一定有一种力能够减缓宇宙外围的高速运动粒子的运动速率。

根据爱因斯坦的相对论与黑洞理论，一切的物体都不能够逃脱黑洞的引力，即使是光子也不能够逃出。根据分类，黑洞是暗物质的一种，那么我们所外的宇宙边缘是不是也存在着一层暗物质来“拉住”这些高速运动的粒子？答案是或许有或许没有。如果有的话，宇宙的扩张不是直线形式的扩张，而是螺旋式的膨胀，就像银河系一样。2003年美国与以色列两国的物理学家发现，所有的星系外层都有包围着一层巨大的暗物质层，其发现了矮星体外围的暗物质层的存在的证据，这些天体多数都像银河系一样，是旋渦型星系。这个能很好地解释宇宙的分层结构，进一步地证明了“弦理论”。

3.总结

迄今为止，上述所有的观点还不能完全地通过实验来证明，目前我们只能利用微观的实验来证明“弦理论”进而推导宏观的“弦理论”。“超对称理论”是“超引力”和“超弦理论”的基础。当前世界范围内的加速器设备尚不满足证明“超对称理论”的条件。但是一旦该理论被实验所证明，那么我们就能够很好地解释暗物质、暗能量的产生和存在。但是现在连引力子都尚未被捕捉到的情况下，从根本上证明“弦理论”还为时尚早。但是目前科学界普遍比较坚持“弦理论”，正是基于其强的数学基础。若证明其错误恐怕也比较困难。此外，“弦理论”也是最有可能把引力、电磁力、强力、弱力以及一切粒子完全统一起来的大一统理论。很多现象都能够被“弦理论”很好地解释。假设“弦理论”被实验完全证明，人类才能够算开始了解宇宙。宇宙的奥秘正在等着人类一个个地去揭开。

参考文献

[1]沈骊天.弦理论探索与新世纪科学革命[J].自然杂志，2002，24（5）：10-15.

[2]吴向尧，袁广宇.超弦理论概述[J].淮北师范大学学报（自然科学版），1998（4）：29-31.

[3]卢建新.超弦理论及其进展[J].科学通报，2009（8）：999-1007.

[4]曹玲.弦理论奏出美妙世界[J].科学世界，2006（7）：4-10.

[5]冯晓华，高策.弦理论与卡-丘流形的结合[J].科学技术哲学研究，2011，28（4）：68-77.

[6]厉光烈，刘明.超弦理论：四种自然力走向统一的一种尝试（Ⅲ）[J].现代物理知识，2016，27（2）：33-37.