宇宙自然生命简史:超弦和宇宙年龄

作者: 汪洁

来源: 科学有故事

发布日期: 2017-10-16 11:25:00

文章详细介绍了超弦理论的发展及其对宇宙学的影响,包括超弦理论的基本概念、发展历史、以及它如何帮助物理学家统一物理规律。此外,文章还讨论了宇宙年龄的测定和暗物质、暗能量的发现,以及这些发现对宇宙学研究的影响。

为了把所有的物理规律统一到一个理论中,物理学家又发明了一种理论,称之为超弦理论。这种理论推测,像夸克、轻子这类最小的基本粒子并不是我们过去以为的“点”粒子,而是一根“弦”,一缕震动着的能量。超弦理论认为时空一共有11个维度,我们能感受到的三个是宏观空间维度再加一个时间维度,另外七个空间维度蜷缩在微观的“弦”中。这根“弦”是如此之小,小到足以被我们看作是一个“点”。

物理学界流传着这样一句话——“弦理论是21世纪的理论偶然落到了20世纪,被好运气的物理学家们拾到了。”1968年,有一个叫做维尼齐亚诺的意大利年轻物理学家,他就职于大名鼎鼎的欧洲核子研究中心。大多数物理学家都是数学家,这个维尼齐亚诺也不例外,他对数学是相当的有兴趣。有一天,他闲来无事开始把玩两百多年前大数学家欧拉发明的欧拉函数。

要把一团乱麻给理成一根线,最关键也是最难的是要找到线头。现在,揭示微观世界秘密的线头被找到了,就是这个欧拉β函数。两年之后,芝加哥大学、斯坦福大学、玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们之间的核作用力就能精确地用欧拉β函数来描写。这根弦非常非常小,小到在我们现有的所有实验条件下,它表现出来的都仍然像一个点,实在太小了。

第一次超弦革命爆发到现在,已经过去了二十多年,物理学界又有了很多很多的进展。例如从超弦理论中又派生出M理论,现在正热门。这个理论把十维的宇宙又扩展了一维,变成了十一维的宇宙(十个空间维加上一个时间维),而且还引入了另一个更加有趣的概念,那就是“膜”,塑料薄膜的那个膜。

现代物理学中的许多概念已经达到了这样一种程度,用戴维斯在《自然》杂志中写的话来说,“不是科学家就不可能区分出某种说法是一种合理的古怪还是一种彻底的疯言疯语。”到了2002年的秋天,有一对法国的双胞胎物理学家波格丹诺夫兄弟,在他们的脑子中又冒出了一个更为有意思的想法。

他俩因此提出了一个很大胆的有关超密度条件下的理论,里面有一些概念,如“假想时间”、“库珀-施温格-马丁条件”据说描述了大爆炸之前的宇宙。

关于哈勃常数,唯一常年不变的事情就是对这个常数本身赋值的巨大争议。1956年,天文学家发现,造父变星比过去以为的还要多变。它们有两种不同的类型,而不是仅有一种。这一发现让天文学家们重新计算了宇宙的年龄,最新的结果是宇宙大约在70亿到200亿年之间。虽然这个结果不是太精确,但是总算至少已经足够古老到把地球的形成过程给包含了进去。

在发现暗物质之后,我们又发现,星系不但在远离我们而去,而且是在加速远离我们。这个现象大大地出乎所有人的预料。这显示出我们的宇宙不仅仅充满了暗物质,还充满了暗能量。科学家们有时称之为真空能或第五元素。不管怎么叫,它正在驱使宇宙加速膨胀,没人能弄清楚到底是怎么回事。有种理论认为太空其实并不是真的空无一物,物质和反物质粒子瞬间凭空产生又湮灭,所产生的能量推动着宇宙加速扩张。

最后让我来总结一下这两期我想告诉你的事情:有关宇宙中最小的物质,也就是基本粒子,和宇宙中最宏大的物质,例如星系,人类对他们已经取得了令人惊讶的认识,但是我们真的不知道还有多少未知的东西等着我们去探索,或许已经不多,或许还仅仅只是冰山一角,我们真的不知道。但最令我们感到神奇的是,研究最微小的基本粒子与研究最宏大的宇宙学,这两条看似不同的道路似乎已经越来越近,很快就要合二为一了。

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