物理（一）

什么是弦理论？

弦理论属于理论物理学的分支，无需知道其中复杂的结构，但需要知道弦理论下的世界是怎样构造的。

以下是我搜集和感悟后的所知：

弦理论下，最基本的单位并非我们所知道的电子、夸克，甚至更小的粒子，而是由“弦”组成。

弦的振动和运动产生了粒子，产生了能量。

通过弦，能量和物质之间能够进行转化。

我们的世界被弦构成，但不仅仅是我们这个世界而已，弦也创造了其他维度的世界。

我们所处的世界是附着在高维度的世界上，并无法感知和干预高纬度世界。

同时又通过弦创造了低维度世界，我们最多可以感知那个世界的存在，但普通情况下缺少直接媒介，只可以对低纬度世界的镜像进行干预，比如我们创造了动画，虽然动画中的世界可能被成功创造，但我们能调控的只有动画的开启和关闭，以及进度条的运行，背后的动画世界是不会受到影响的。

正如琴美弹奏小提琴上的弦，弦理论下创造世界的弦并非凭空产生新世界，而是弦之间的共振，相互配合波长，达到特殊的要求后才能创造出新的物质，新的能量，新的世界。

超弦理论

超弦理论是当今物理学中的一项重要理论，它试图解释自然界中最基本的物理现象，如引力、电磁力、强核力和弱核力。

超弦理论认为，宇宙的最基本构成单位不是点、线、面、体等传统几何概念，而是一种类似于弦的物质，这种物质可以振动并产生各种不同的粒子。

超弦理论的提出可以追溯到上世纪60年代，当时物理学家们发现，标准模型无法解释引力与其他基本力的统一。

为了解决这个问题，物理学家们开始研究引力量子化，即将引力和量子力学相结合。

但是他们很快发现，这种方法在数学上是不可行的，因为引力是一种曲率，而量子力学中的粒子只能在平坦的空间中运动。

于是，物理学家们开始寻找其他方法来解决这个问题，超弦理论就是其中之一。

一、弦理论

弦理论是超弦理论的基础，它认为基本粒子不是点，而是一种类似于弦的物质。

这种物质可以振动，产生各种不同的粒子。

弦理论中的弦可以是开弦也可以是闭弦。

开弦是指弦的两端没有连接在一起，而是自由地振动。

闭弦则是弦的两端连接在一起，形成一个环。

开弦和闭弦振动的方式不同，因此它们产生的粒子也不同。

例如，闭弦可以振动出弦的基态，即没有振动的状态，这个状态对应的粒子就是引力子。

弦理论的一个重要特点是它可以将引力和其他基本力统一起来。

在弦理论中，弦的振动模式决定了它所代表的粒子的质量和自旋。

这些振动模式可以解释为不同的粒子状态，包括引力子、夸克、电子等。

弦理论还提出了一种新的物理量，称为弦张力。

弦张力是弦的紧绷程度，它决定了弦的长度和质量。

弦张力越大，弦的长度越短，质量越大。

弦理论还有一个重要的特点是它需要在10维或11维的空间中才能成立。

这些额外的维度是隐藏的，无法被我们所感知。

弦理论认为，宇宙中的所有基本粒子都是弦的振动模式，它们的质量和自旋等性质取决于弦的振动模式和弦张力。

二、玻色子

玻色子是一类基本粒子，它们遵循玻色-爱因斯坦统计。

玻色子可以组成粒子束，表现出波动性，例如光子、声子等。

在弦理论中，玻色子是弦的一种振动模式。

玻色子可以是开弦或闭弦的振动模式，它们的质量和自旋等性质取决于弦的振动模式和弦张力。

玻色子在弦理论中扮演着重要的角色，它们可以描述各种基本粒子的振动模式。

例如，引力子就是一种玻色子，它是闭弦的基态振动模式。

其他玻色子还包括光子、胶子等。

三、超弦理论

超弦理论是弦理论的进一步发展，它将弦理论中的弦从一维扩展到了二维。

这样，超弦理论就可以解释更多的物理现象，包括引力、电磁力、强核力和弱核力等。

超弦理论包括五种不同的理论，分别是Type I、Type IIA、Type IIB、Heterotic-O和Heterotic-E。

这些理论之间存在一定的联系，它们可以通过对称性相互转换。

例如，Type IIA和Type IIB理论可以通过T-对偶对称性相互转换。

超弦理论的一个重要特点是它需要在11维的空间中才能成立。

这些额外的维度是隐藏的，无法被我们所感知。

超弦理论认为，宇宙中的所有基本粒子都是弦的振动模式，它们的质量和自旋等性质取决于弦的振动模式和弦张力。

超弦理论的提出解决了许多物理问题，例如引力和量子力学的统一、黑洞信息丢失等。

但是，超弦理论还存在一些问题，例如它无法解释暗物质和暗能量等问题。

四、总结

超弦理论是当今物理学中的一项重要理论，它试图解释自然界中最基本的物理现象。

超弦理论认为，宇宙的最基本构成单位不是点、线、面、体等传统几何概念，而是一种类似于弦的物质，这种物质可以振动并产生各种不同的粒子。

弦理论是超弦理论的基础，它认为基本粒子不是点，而是一种类似于弦的物质。

这种物质可以振动，产生各种不同的粒子。

玻色子是一类基本粒子，它们遵循玻色-爱因斯坦统计。

在弦理论中，玻色子是弦的一种振动模式。

超弦理论包括五种不同的理论，分别是Type I、Type IIA、Type IIB、Heterotic-O和Heterotic-E。

这些理论之间存在一定的联系，它们可以通过对称性相互转换。

超弦理论的提出解决了许多物理问题，例如引力和量子力学的统一、黑洞信息丢失等。

但是，超弦理论还存在一些问题，例如它无法解释暗物质和暗能量等问题。

总的来说，超弦理论是物理学家们为了解决引力量子化问题而提出的一种理论，它试图将引力和其他基本力统一起来。

虽然超弦理论还存在一些问题，但它的提出已经推动了物理学的发展，为我们探索宇宙的最终奥秘提供了一种新的思路。

弦理论

弦理论的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，大至星际银河，小至电子、质子、夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的“能量线”所组成。

作为宇宙万物基本组成单元“潜力股”候选人，我的粉丝群里有好多好多大人物——诺贝尔物理学奖得主、菲尔兹和基础物理学奖得主。

科学家希望我的出现可以把这些粒子和力纳入同一个理论框架，也就是找到一个让宇宙万物都有章可循的理论。

Hi！我的名字叫弦，人家可不是琴弦的弦，是作为宇宙万物基本组成单元“潜力股”候选人的弦。

什么？！你可能认为我疯了。

在你的常识里，世界明明是由那些原子、质子、中子、电子、夸克这帮叫做粒子的家伙组成的呀。

但我真的不是自卖自夸。

就在上周，好多科学家从世界各地赶来，在清华大学开了个高大上的会议，叫2016国际弦理论大会，就是专门讨论我呢。

这些科学家里有好多好多大人物，比如诺贝尔物理学奖得主啦，菲尔兹和基础物理学奖得主啦……

你肯定半信半疑，心里想着我这么玄乎，粉丝里竟然会有这么多大科学家？

不过我要告诉你，其实我一点都不玄，不信你就听我把话讲完？

我其实是为“劝架”而生的

如果它们两个走在一起，在时空的每一个点上，既可以有黑洞，也可以没有黑洞，而且如果有黑洞的话，黑洞的质量可以任意大。

要说清楚我的身世，还得从20世纪诞生的现代科学的两位老大哥说起。你肯定听过它们的名字，一个是广义相对论，一个是量子力学。

广义相对论由爱因斯坦亲手培养，它一鸣惊人地提出，万有引力的本质是时空的弯曲。

量子力学专门关注微观世界里那些粒子的运动规律。

它的重大发现之一就是，所有的粒子还有一个身份，那就是波。

这两位老大哥在科学界都大名鼎鼎，备受科学家推崇。

但令人心痛的是，它们走到一起时，却常常会闹矛盾。

就拿一件小事来说吧。

量子力学常把测不准原理挂在嘴边。

在它看来，对粒子的位置测量得越准，对其动量就越测不准。

对粒子的时间测量得越准，对其能量就越测不准。

广义相对论却不这么想。

它认为，时间和空间之间，能量和动量之间，都是不分你我、可以互换的。

你可以把时空定位到非常非常精确的某个点上。

它们的分歧看起来鸡毛蒜皮，实际上后果非常非常严重。

你把它们说的放到一起想一想:如果时间和空间都无比精确地定格在某个点上，意味着能量和动量的不确定性就无穷大。

可是如果一个点的能量密度达到无穷大，就会出现黑洞……

也就是说，如果它们两个走在一起，在时空的每一个点上，既可以有黑洞，也可以没有黑洞，而且如果有黑洞的话，黑洞的质量可以任意大。

是不是细思极恐？

为了让这两位举足轻重的大人物握手言和，不出现到处都是黑洞的情况，科学家们操碎了心，后来我就应运而生了。

对，我就是来劝架的。

我的愿望是万物有章可循

就像你弹动琴弦，它会发出不同的声音一样。

在我的世界里，粒子只不过是我的振动造成的，我振动的频率不同就会带来不同的基本粒子。

其实想来劝架的人很多，我最初引起科学家们的注意还真是有点偶然。

上世纪60年代，两个理论物理学家在分析强相互作用现象时，发现他们列出的数学公式里需要一些特殊函数才能满足这个现象的某些特殊性质。

后来，又有其他科学家倒推这个公式，发现这个公式背后藏着我这样的一维的弦。

是的，通常大家所知道的粒子是零维的，而我是一维的，因为我拥有长度。

你可以把我想象成一根橡皮筋，我可以像完好的橡皮筋一样，是个圆圈，这时大家叫我闭弦；也可以像断开的橡皮筋一样，这时大家叫我开弦。

想知道我是怎么劝架的吗？

简单来说，自然界有各种各样的粒子，还有电磁力、引力、强相互作用力和弱相互作用力等各种不同的力。

科学家希望我的出现可以把这些粒子和力纳入同一个理论框架里，也就是找到一个让宇宙万物都有章可循的理论，姑且称之为万物理论吧。

这样两位老大哥就打不起来了，对吧？

要想理解我的世界，你可得先开开脑洞。

在我的世界里，粒子只不过是我的振动造成的，我振动的频率不同就会带来不同的基本粒子。

就像你弹动琴弦，它会发出不同的声音一样。

至于自然界存在的不同的力，你可以想象一下，完整的橡皮筋可以一分为二，变成两根断开的橡皮筋；断开的橡皮筋又可以二合为一，变成完整的橡皮筋。

这些橡皮筋之间不断的相互作用就带来了不同的力。

三十多年前，又有科学家通过数学进行推导，发现这个世界里并非只有我，还有一种类似于膜的东西，当然它的尺度和我一样也非常小。

可想而知，橡皮筋与膜之间也可以互相发生作用，互相转换，而且带来不同的力。

下面恐怕要说最让你费脑筋的了。

你肯定认为世界是三维的，再加上时间这个维度就是四维。

但是我的世界是十维的。

其他六个维度去哪里了？

举个例子，一个人在两座高楼之间走钢丝，人看到的钢丝是一维的，因为人只看到了钢丝的长度；而对于钢丝上的蚂蚁来说，钢丝却是二维的，因为蚂蚁看到的是一个平面。

世界的十个维度或许也是以类似的方式被你当成四维了，只是你没有察觉到而已。

我在乖乖等待科学家的验证

至于科学家亲眼验证到我是否存在，或许还要等很多年。

但我知道，科学家肯定会想方设法把人们认为最小的单元“砸”开，“砸”出更基本的单元，改变人类对世界的认知。

听我啰嗦了这么多，不知你现在是嘴巴张得更大了，还是开始觉得我有点靠谱？

实话说，我的世界虽然听起来比你平时感受到的世界奇怪很多，但这都是理论物理学家经过反复推导验算出来的，所以我刚才说的那些至少在数学的角度上是成立的。

而且科学家在描述我的存在的时候，尽量沿用物理学中已经被证实的概念和理论，所以我可不是推翻所有理论然后自己信口雌黄。

在成为万物理论的道路上，我从来不拒绝站在巨人的肩膀上。

但要是你问我，怎么证明我说的是真的，我就无言以对了。

因为我的世界所涉及的尺度是实在是太小了，大约是科学家目前所能观测到的尺度的10的15次方分之一，他们可能没有办法用现有的科技手段直接证明我的存在。

不过有一种东西倒是有可能间接佐证我的存在，那就是大型粒子对撞机。

说来话长，在关于我的理论中有一个非常重要的分支叫做超弦理论。

并不是说我在这个理论里升级成了超级版，而是理论物理学家通过数学推导发现，我的世界里同样存在超对称现象。

说白了，我的振动带来的每一种基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。

4年前，科学家利用坐落于欧洲日内瓦的大型强子对撞机发现了希格斯·玻色子。

现在，他们在寻找这种粒子是否还拥有兄弟姐妹，以及是不是拥有超对称伙伴。

如果科学家利用大型强子对撞机，找到了包括希格斯·玻色子在内的基本粒子的超对称伙伴，那对我的粉丝科学家们当然是莫大的鼓舞。

至于科学家亲眼验证到我是否存在，或许还要等很多年。

但我才不会气馁，因为我知道，科学家这群淘气的孩子肯定会想方设法把人们认为最小的单元“砸”开，“砸”出更基本的单元，改变人类对世界的认知。

这个过程，从来就不是一蹴而就的，是一步一步攀登科学高峰，然后看到越来越神奇的宇宙风景。

说不定哪一天，他们爬得足够高时，就会找出足够的证据告诉你，我上面说的那些话，哪些是真，哪些是假。

嗯，心急吃不了热豆腐。

从预测引力波的存在，到人类直接探测到引力波，广义相对论大哥都等了100年呢。

我也会乖乖等待科学家们的验证。

（本文内容主要依据对中国科学技术大学数学科学学院殷峥教授的采访）

膜理论

一、膜理论的原理

二、膜理论的应用

三、膜理论的不确定性

一、膜理论的原理

人们最初认为一切都是由弦成的，后来发生了一场革命。

人们发现弦可以从一维空间的微小物体延伸到膜上，也就是说可以给他们增加维度，让其超越一维，变成二维的或多维的膜。

原因是当研究物理学时，会发现物理学中由很多对称性，其中一些是有一定自由度的，可以将其视为等价于维度。

弦理论认为宇宙有10个维度，其中四个维度是最常见的，一个时间维度和三个空间维度。

而膜理论认为宇宙可能有11个维度，事实证明膜理论让事物更具有对称性。

在某种程度上也更为统一，将膜理论浓缩到10个维度，就得出了弦理论，所以膜理论是弦理论的父集。

二、膜理论的应用

膜理论在数学上的应用非常强大，在描述现实世界时，它的应用有限，但人们会使用这个理论来试图理解黑洞，以及黑洞的信息量。

众多科学家都非常认可这个理论是真的，因为他非常符合对称性，所以努力让理论发挥作用。

科学家正在尝试从膜宇宙学中寻找一种物质，找到一些必要的证明，因为必须要打破某种对称性，才能产生今天看到的宇宙。

人们以前认为只有一个自由度，但现在的膜理论中提出了极多的可能性。

所以需要想清楚为什么宇宙是现在在这样的？

它如何通过打破对称性来实现的？

如何坍塌成为我们现存的宇宙？

这个理论认为意识到存在四维超曲面一个很长的时间维度和三个广阔的空间维度，仍然有尚未注意到有非常微小的维度，附着在时空的每一部分。

但这个理论指引产生新的理论想法，激励尝试并思考其他要做的事情。

有很多聪明的人们在努力从这些事情中得到研究宇宙学的启示，并试图理解为什么宇宙发展成今天所看到的样子。

三、膜理论的不确定性

很少有实验证明它是完全正确的，目前的事实是它的数学基础都十分合理，这让人们相信这个理论可能是正确的。

那么它会成为主流理论吗？

这其实就是一种主流理论，但是没有太多预测内容，它很难说会一直是主流理论，因为这取决于我们观察到什么，如果我们观察到从早期玻色-爱因斯坦凝聚余下来的粒子，即从高维坍塌到低维，这可能是暗物质的原理。

会让人们振奋的认为这个理论可能是对的，如果我们观察不到，科学家就要继续研究清楚它。

我们再看将来会发生什么，这就是一个很经典的问题，美丽的理论会被丑陋的现实抹杀吗？

还是说这个美丽的理论只是善于猜测宇宙的模型但并没有描述真实的宇宙，而更粗糙的大爆炸理论才是正确的。

现在还没有定论所以很多人都在赌一个真相，并且为之投入了大量的时间和精力。

大自然最终会决定到底是对是错，拭目以待。

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