物理学面临三大突破(三)
----额外维度突破篇
王德奎
(绵阳日报社,四川绵阳,621000 )
摘要:A、暗能量的本质是什么?B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学?C、是否存在额外维度?是物理学的三大困惑。解铃还须系铃人,相对论和量子力学既是它们的“系铃人”,而目前这三大困惑的突破,也说明它们是其“解铃人”。这就是21世纪开始的“第三次超弦革命”。
关键词:暗能量、额外维、黑洞蒸发、环量子、点内空间
八、何谓“额外维度”
克罗斯提到的第三大困惑是:“是否存在额外维度?”他解释说,弦理论证明的成果之一是额外维度的思想,基于的也是额外维度的思想。弦理论最早有26维,然后缩减到10维,但我们是生活在4 维宇宙中;解释那些看不见的额外维度的讨论很多,有些人还提出额外维度是可以检验到的,但他敢打赌,弦理论那些额外维度的观点不正确。我们也赞成克罗斯的观点,但我们不是说弦理论那些额外维度的观点不正确,而是说可以不用超出5维,也能解释弦理论遇到的那些难题。
物理学上真正伟大的理论终究是少数,一个理论只要能给人以启迪,也就不枉了它被学术界所认识。当代物理学正出现天体物理和粒子物理的新的合流;加速器物理和非加速器物理的合流,需要新的物理的实验,更需要新的物理观念。二十世纪六十年代出现的超对称观念,初试锋芒之后已经渗透到了现代物理的许多领域中,这种渗透的延伸是一个试图统一自然界所有相互作用的超弦理论,它对时空维数的要求,变成了十维而不再是四维。在这样的一幅时空图景中, 我们直接观测所及的看似广袤无边的宇宙,不过是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜,我们人类就世世代代生活在这样一层膜上, 我们的宇宙论也就变成了膜宇宙论。那么,进入黑洞的物体的物质结构信息是不是永久地消失了呢?霍金认为,如果用超膜理论来理解黑洞,会发现各种信息储存在p-膜上,p-膜是一张通过三维空间以及我们未注意到的额外7维的运动的薄片,黑洞可被认为在时空的额外维中与p-膜相交。在某些情形下,人们可以证明在p-膜上的波的数目和人们所预料的黑洞所包含的信息量相同。如果粒子打在p-膜上,便会在膜上激起额外的波。类似地,如果在p-膜上不同方向的波在某点相遇,它们会产生一个如此大的尖峰,使得p-膜的一小片破裂开去,而作为粒子离开。这样,p-膜正如黑洞一样,能吸收和发射粒子。p-膜模型和虚粒子对模型对发射率的预言完全一样。
高维时空的观点并不是超弦理论所特有的。早在 1919 年波兰人卡路扎(T.Kaluza),就把广义相对论推广到了五维时空,试图由此建立一个描述引力与电磁相互作用的统一框架;1926 年瑞典人克林(O.Klein)发展了卡路扎的理论,引进了紧致化的概念,发现从高维空间约化到可观测的4维时空的机制,由此建立了所谓的 Kaluza-Klein 理论,简称K--K理论。即若11维超引力中的7维空间是紧致的,且其尺度为10的-33次方厘米,就会导出粒子物理标准模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。但是,在时空从11维紧致化到4维时,却无法导出手征性来。到了1984年,超引力丧失领头理论地位,超弦理论取而代之。
从1984年起,人们认定10维时空是最佳选择,10维时空的弦论替代了11维时空的超引力理论。曾流行过五种弦论,其不同在于未破缺的超对称性荷的数目,以及所带有的规范群。在10维时空中,最小的旋量具有16个实分量,有三种弦论的守恒超荷恰巧对应于这种情况,它们是类型Ⅰ、杂优弦HE和HO。其余两种弦论含有2个旋量超荷,称为类型Ⅱ弦。其中,类型ⅡA的旋量具有相对的手征性,类型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二种杂优弦,分别带有E8×E8规范群和SO(32)规范群。类型Ⅰ弦也具有SO(32)规范群,它是开弦,而其余的4种弦是闭弦。重要的是,它们都是反常自由的,即弦论提供了一种与量子力学相容的引力理论。在这些理论中,HE弦至少在原则上能解释所有已知粒子和力的性质,当然也包括手征性在内。然而若将粒子看作弦,那为什么不将它们看作膜,抑或看作p维客体——胚(brane)呢?
----额外维度突破篇
王德奎
(绵阳日报社,四川绵阳,621000 )
摘要:A、暗能量的本质是什么?B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学?C、是否存在额外维度?是物理学的三大困惑。解铃还须系铃人,相对论和量子力学既是它们的“系铃人”,而目前这三大困惑的突破,也说明它们是其“解铃人”。这就是21世纪开始的“第三次超弦革命”。
关键词:暗能量、额外维、黑洞蒸发、环量子、点内空间
八、何谓“额外维度”
克罗斯提到的第三大困惑是:“是否存在额外维度?”他解释说,弦理论证明的成果之一是额外维度的思想,基于的也是额外维度的思想。弦理论最早有26维,然后缩减到10维,但我们是生活在4 维宇宙中;解释那些看不见的额外维度的讨论很多,有些人还提出额外维度是可以检验到的,但他敢打赌,弦理论那些额外维度的观点不正确。我们也赞成克罗斯的观点,但我们不是说弦理论那些额外维度的观点不正确,而是说可以不用超出5维,也能解释弦理论遇到的那些难题。
物理学上真正伟大的理论终究是少数,一个理论只要能给人以启迪,也就不枉了它被学术界所认识。当代物理学正出现天体物理和粒子物理的新的合流;加速器物理和非加速器物理的合流,需要新的物理的实验,更需要新的物理观念。二十世纪六十年代出现的超对称观念,初试锋芒之后已经渗透到了现代物理的许多领域中,这种渗透的延伸是一个试图统一自然界所有相互作用的超弦理论,它对时空维数的要求,变成了十维而不再是四维。在这样的一幅时空图景中, 我们直接观测所及的看似广袤无边的宇宙,不过是十维时空中的一个四维超曲面,就象薄薄的一层膜,我们人类就世世代代生活在这样一层膜上, 我们的宇宙论也就变成了膜宇宙论。那么,进入黑洞的物体的物质结构信息是不是永久地消失了呢?霍金认为,如果用超膜理论来理解黑洞,会发现各种信息储存在p-膜上,p-膜是一张通过三维空间以及我们未注意到的额外7维的运动的薄片,黑洞可被认为在时空的额外维中与p-膜相交。在某些情形下,人们可以证明在p-膜上的波的数目和人们所预料的黑洞所包含的信息量相同。如果粒子打在p-膜上,便会在膜上激起额外的波。类似地,如果在p-膜上不同方向的波在某点相遇,它们会产生一个如此大的尖峰,使得p-膜的一小片破裂开去,而作为粒子离开。这样,p-膜正如黑洞一样,能吸收和发射粒子。p-膜模型和虚粒子对模型对发射率的预言完全一样。
高维时空的观点并不是超弦理论所特有的。早在 1919 年波兰人卡路扎(T.Kaluza),就把广义相对论推广到了五维时空,试图由此建立一个描述引力与电磁相互作用的统一框架;1926 年瑞典人克林(O.Klein)发展了卡路扎的理论,引进了紧致化的概念,发现从高维空间约化到可观测的4维时空的机制,由此建立了所谓的 Kaluza-Klein 理论,简称K--K理论。即若11维超引力中的7维空间是紧致的,且其尺度为10的-33次方厘米,就会导出粒子物理标准模型所需的SU(3)×SU(2)×U(1)对称群。但是,在时空从11维紧致化到4维时,却无法导出手征性来。到了1984年,超引力丧失领头理论地位,超弦理论取而代之。
从1984年起,人们认定10维时空是最佳选择,10维时空的弦论替代了11维时空的超引力理论。曾流行过五种弦论,其不同在于未破缺的超对称性荷的数目,以及所带有的规范群。在10维时空中,最小的旋量具有16个实分量,有三种弦论的守恒超荷恰巧对应于这种情况,它们是类型Ⅰ、杂优弦HE和HO。其余两种弦论含有2个旋量超荷,称为类型Ⅱ弦。其中,类型ⅡA的旋量具有相对的手征性,类型ⅡB的旋量具有相同的手征性。HE和HO二种杂优弦,分别带有E8×E8规范群和SO(32)规范群。类型Ⅰ弦也具有SO(32)规范群,它是开弦,而其余的4种弦是闭弦。重要的是,它们都是反常自由的,即弦论提供了一种与量子力学相容的引力理论。在这些理论中,HE弦至少在原则上能解释所有已知粒子和力的性质,当然也包括手征性在内。然而若将粒子看作弦,那为什么不将它们看作膜,抑或看作p维客体——胚(brane)呢?