就像节日期间离婚的父母一样,物理学是由两个心爱的权威组成的,但他们就是无法相处——和量子力学。
几十年来,许多研究人员将统一的希望寄托在一种称为“统一”的东西上。。从好的方面来说,它指出了引力和亚原子粒子行为之间的奇怪联系。不利的一面是……弦理论。
和世界各地的许多物理学家一样,普林斯顿大学的理论家们一直在追逐一个梦想,将几十年来疏远的物理学家聚集在一起,形成所谓的万有理论。
正如普林斯顿大学公关经理凯瑟琳·赞多内拉 (Catherine Zandonella) 最近解释的那样,他们取得了一些成功,至少在数学共同点方面是这样。
“关键的见解是重力,将棒球带回地球并控制棒球生长的力量,在数学上与构成我们周围所有物质的亚原子粒子的奇特滑稽动作有关,”赞多内拉说。
“重力和亚原子粒子之间的这种相关性为物理学提供了一种罗塞塔石碑。”
这种共同点与争吵理论的结合并不完全相同,但翻译相关语言的方法至少可以让他们交谈。
不幸的是,这种洞察力来源于弦理论框架,该框架继续让研究人员产生分歧——我们大多数人都听说过这个数学模型,但很少有人真正掌握。
所有这些混乱的根源都与无穷大有关。如果您将数字代入公式后却无法得到有意义的答案,那么您的公式在进行预测时实际上毫无用处。
量子理论为我们提供了大多数粒子之间相互作用的可靠答案。答案不仅有意义,而且与实验数据完全一致。
不幸的是,重力是一只奇怪的鸭子。现在,根据爱因斯坦的广义相对论,我们通过描述时空的形状来解释遥远质量之间的弱吸引力。
将离散载力粒子的基于概率的数学与广义相对论的时空背景相结合只会以无限答案的形式给出无意义的结果。就像两个人互相呼喊。
将引力与两种核力和电磁力结合起来将为我们提供一个更简单、包罗万象的理论,该理论描述了我们的宇宙如何从单一的物理操作系统中出现。
一种潜在的解决方案是以一种完全不同的方式看待所有粒子,即在 4D 时空背景中编织时保留其离散的概率性质。
弦理论通过将粒子描绘为在多个维度内改变形状的单一维度来实现这一点。或者,换句话说,一条在一定频率范围内“嗡嗡作响”的线,这解释了粒子的独特特征。
这实际上适用于物理学中的一系列事物。 20 世纪 90 年代,普林斯顿大学的三名研究人员将弦理论应用于将夸克粘合在一起形成质子和中子的强力粒子——这些粒子被幽默地称为胶子。
他们发现同样的方法也可以帮助他们理解黑洞如何辐射能量。
几年后,另一位普林斯顿大学研究员胡安·马尔达西纳 (Juan Maldacena)提出了更一般的解释诸如扭曲时空的质量和产生亚原子粒子的场论等大事物的研究。
二十年过去了,弦理论继续以反德西特空间/共形场论的形式激发了争论的物理学之父之间的这种共同语言,或者AdS/CFT 对应关系。
“我们希望了解内部的奇点,”马尔达塞纳说。 “理解这一点可能会给人们带来有趣的教训”。
就在最近,斯坦福大学物理学家伦纳德·苏斯金德发表了他的解释基于 AdS/CFT 对应的黑洞内部体积膨胀。
尽管这个模型很优雅,但一个好的想法需要在实践中进行专门观察才能成为令人信服的理论。尤其是当一切的基础都受到威胁时。
即使是弦理论的创始人也怀疑数学是否代表了真实的东西,或者是更深层次真理的浅层反映。
“我的猜测是,现实世界的理论可能与弦理论有关,但它不是形式、严格、数学意义上的弦理论,”苏斯金德最近在接受采访时表示。
“确切的东西——我称之为弦理论,也就是这种数学结构——本身无法描述粒子。”
弦理论可能会让父母们议论纷纷,甚至可能向我们展示将广义相对论与量子力学联系起来的观察方法。
但显然,要让物理学大家庭团结起来,我们还有很长的路要走。这可能不会在圣诞节之前发生。或者很快的圣诞节。