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本帖最后由 icacfbicidcia 于 2012-11-14 17:58 编辑
(TVB Pearl)(明珠台)〖優雅的宇宙〗【The Elegant Universe】『粵英雙語』『Cantonese/English』[繁體中文字幕](No. of seasons{1})(No. of episodes{3})
《≮{PBS}{Nova (TV series)}:The Elegant Universe≯(Series 1)(Sr. 1)》
《(美國公共電視網)(PBS)(Public Broadcasting Service)》
[內容簡介]:
現代物理是人類知識探索歷程上的最偉大成就之一,大至整個宇宙的來源和結構,小至次原子粒子的世界,現代物理都能提供完滿的解釋。然而遺憾的是,它的兩大基礎──廣義相對論和量子力學──之間,卻有著無法彌合的衝突。目前來看,經過物理學家多年努力所建立的弦論,是最有可能調和這項衝突、提供最終解答的理論。
位於弦論研究最前線的物理學家布萊恩.格林恩,剝開圍繞著這個理論的重重謎團,揭露出它所描述的十一維宇宙。在其中,一切物質都是由弦的振動所產生,宇宙的時空結構可以自我撕裂和修補。從遊樂場轉輪到橡皮管上的螞蟻,格林恩結合了生動的例子和剴切深入的說理,向我們闡釋了現代物理美麗而奇詭的真實面貌。
一連三集《優雅的宇宙》探討二十世紀物理學一項重大發現-弦理論(String Theory),從愛恩斯坦到現代在「弦理論」上的發展過程,深入淺出地作出介紹。「弦理論」提到宇宙原本有十一次元空間,及後發生了一場爆炸,使當中一些次元收縮到基本粒子的空間之中,造成天文物理學家在觀測天象時出現差距。
第一集介紹何謂超弦理論(Superstring Theory)-「弦理論」的雛型,並解釋現代物理學發展何以困在死胡同。
第二集介紹了弦學說的由來和進展
第三集介紹了弦理論和11次元空間,神奇的蟲洞將會使時空旅行成為可能
弦理論是發展中的理論物理學的一支,結合量子力學和廣義相對論為量子重力。弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明世界上所有物質結構,大至星際銀河,小至電子、質子及夸克一類的基本粒子都由這一維的「能量線」所組成。中文文獻上,一般寫作「弦」或「絃」。
較早時期所建立的粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣為接受的物理模型,也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題,但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來,弦理論的基礎是波動模型,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下內文會說明。
(發展歷史)
弦理論的雛形是在1968年由Gabriele Veneziano發現。有說法稱,他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學函數,然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年之久的Β函數,這函數能夠描述他所要求解的強作用力。事實並非如此,根據維內奇諾本人的說法,這個函數是他多年努力的結果,而那些「偶爾發現」以及「從數學書中發現」的傳言令他本人很不高興。不久後李奧納特·蘇士侃發現,這函數可理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」,這在日後則發展成「弦理論」。
雖然弦理論最開始是要解出強作用力的作用模式,但是後來的研究則發現了所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反電子,正反微中子等等,以及四種基本作用力「粒子」(強、弱作用力粒子,電磁力粒子,以及重力粒子),都是由一小段的不停抖動的能量弦線所構成,而各種粒子彼此之間的差異只是這弦線抖動的方式和形狀的不同而已。
(弦理論)
[玻色弦理論]
最早期的弦論叫做玻色弦理論,南部陽一郎給出了最早的作用量,但是該作用量在場論的框架內難以量子化。此後亞歷山大·泊里雅科夫給出了一個等效的作用量,其幾何含義是把時空坐標視為一個世界面的純量場,並且在世界面上滿足廣義相對論的一般坐標變換規則。除此之外,如果要求這個作用量同時滿足在外爾變化下不變,那麼自然的會要求這個世界面是一個二維的曲面。
玻色弦理論是最簡單的一個弦論的模型,它最重要的物理圖像是認為物理粒子不是單純的點粒子,而是由於弦的振動產生的激發態。顯然它有很大的缺點,其一是它只簡單描述了純量玻色子,沒有將費米子引入框架內;其二沒有包含一般量子場論中的規範對稱*;其三是當研究它的質量譜時候發現,它的真空態是一組質量平方小於零的不穩定快子。所有這些問題在推廣到超弦理論後得到了很好的解釋。
[超弦理論]
另外,「弦理論」這一用詞所指的原本包含了26維的玻色弦理論,和加入了超對稱性的超弦理論。在近日的物理界,「弦理論」 一般是專指「超弦理論」,而為了方便區分,較早的「玻色弦理論」則以全名稱呼。1990年代,受絃對偶的啓發,愛德華·維頓猜想存在一11維的M理論,他和其他學者找到強力的證據,顯示五種不同版本的十維超弦理論與十一維超重力論其實應該是M理論的六個不同極限。這些發現帶動了第二次超弦理論革新。
[弦理論與大一統理論]
弦理論會吸引這麼多注意,大部分的原因是因為它很有可能會成為大一統理論。弦理論也可能是量子重力的解決方案之一。除了重力之外,它很自然的成功描述了各式作用力,包含了電磁力和其他自然界存在的各種作用力。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙,這還是未知數。至今研究員仍未能找到一個弦論模型,其低能極限為標準模型。
[額外維]
[D-膜]
由於超弦理論的時空維數為10維,所以很自然的可以認為有6個額外的維度需要被緊化。當對閉弦緊化時,可以發現所謂的T-對偶;而對開弦緊化則可以發現開弦的端點是停留在這些超曲面上的,並且滿足Dirichlet邊界條件。所以這些超曲面一般被稱為「D膜」。 研究員稱D膜的動力學為「矩陣理論」(M理論),是為「M」字之一來源。
(物理或是哲學)
在未獲實驗證實之前,弦理論是屬於哲學的範疇,不能完全算是物理學。無法獲得實驗證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預測,另一個則是目前的高速粒子加速器還不夠強大。
科學家們使用目前的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論裡主要的超對稱性學說所預測的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了,這仍不能算是可以證實弦理論的強力證據,因為那也只是找到一個本來就存在於這個宇宙的粒子而已,不過這至少表示研究方向是正確的。
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