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第65章 宇宙的琴弦

“莫枉先生,你知道‘原子’的含义吗?”弗朗西斯这样问道。

“我记得这是最早由古希腊人提出一种词汇吧?用来称呼组成物质的基本粒子。”花在补习上的时间果然没有白费,莫枉从自己的知识储备中找到了相应的答案。

“没错。在那个人类文明尚处于懵懂阶段的时候,一些比同类更擅长思考的人们就提出了这样的观点:就像是能用少数几个字母组成无尽的文章一样,我们身处的这个世界应该也有着共同的组成单元,他们将最基本、无法继续分割的组成单元称为‘原子’。而随着科技的发展,到十九世纪,人们发现许多熟悉的物质都有一种可以识别的微小组成单元。遵从古人的意愿,他们称之为‘原子’,但历史很快证明这是错的,因为原子并不是‘不可分割’的。人们发现了原子内部的秘密——它是由质子、中子和电子组成的,还发现了元素周期表的规律,设立了美丽的、经典的原子模型。很长一段时间,人们以为质子、中子、电子就是古希腊人口中的‘原子’,但技术的发展很快又给了他们当头一棒——通过强大的能量轰击、破坏这些粒子,人们发现质子和中子其实是由一种命名为‘夸克’的粒子组成的:质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成。这还不算完,凭借越来越发达的技术力量,不断地用越来越大的能量将物质击碎,科学家们不断地发现着新的粒子:其他夸克,各种中微子,还有各种粒子的反粒子。随着研究的深入,越来越多的‘为什么’也接踵而来,譬如说,要组成我们身边的各种事物事实上只需要电子、上下夸克就足够了,其他粒子为什么存在?”

“而在力学方面,人类也陷入了同样的困局。物理学家积累了大量的研究和证据,证实不同事物之间的相互作用,像是各种生物的活动,天文星体的运动,原子的裂变聚变,都可以归结为四种基本力的组合:引力、电磁力、强力和弱力。”

“人们最熟悉的就是引力,它正是我们能够脚踏大地的原因,是两个拥有质量的物体之间的吸引力;电磁力是带电物体之间的作用力,同性相斥异性相吸,不带电的物体不受它的影响;强力让夸克组成了质子和中子,也让带着相同电荷的质子能克服电磁斥力和中子一起组合成原子核;弱力是除强力外的另一种粒子间的短程力,最为人所熟悉的作用是物质的放射性衰变。这四种基本力的参数以一种微妙的平衡构成了如今已知的宇宙环境,这些参数甚至可以精确到小数点后无数位,其中任何一项参数的改变都会令整个宇宙发生彻底的变化,其中任何一项力的改变可以令宇宙崩溃也不是不可能的。而且,在人类经历了末世来到了异次元后,我们还发现了一个令人惊讶的事实:在另一个宇宙中,这些参数,依然未变。”

“那人们是如何确认自己来到了异次元的呢?”莫枉突然问道。

“好问题。你应该知道宇宙背景辐射吧?”弗朗西斯反问道。

“知道,是存在于整个宇宙空间内的电磁辐射,推断为宇宙大爆炸后经过膨胀和冷却残存的热辐射。”

“没错,因为充斥在宇宙中的每个角落,称其为宇宙的名片也不为过。按照记录,人类原本处于的宇宙,背景辐射为3K左右。”

“也就是说,现在的宇宙背景辐射变了?”

“正解。根据这个变化,科学家们推断我们现在身处于一个更老也更冷的宇宙之中。不过这都是题外话了,让我们回归正题。”

“啊,是的。”莫枉回答道。

“虽然作用对象和强弱各不相同,但这四种基本力是有共同点的:其一,在微观层次上,所有的力都关联着一个粒子,像是传递这种力的‘信使’一样,也是这种力的最小单元,强力、弱力、电磁力、引力分别对应着胶子、弱规范玻色子、光子和引力子;其二,这些力都由某种“荷”来决定:质量决定引力如何对粒子产生作用,电荷决定电磁力如何发生影响,粒子还被赋以一定的强荷和弱荷,它们决定着粒子如何受强力和弱力的作用。那么问题来了:既然有着共同的特性,为什么只有四种基本力?为什么不是五种、三种甚至一种?为什么这些力会有那么不同的性质?为什么强力和弱力只能在微观尺度上发生作用,而引力和电磁力却具有无限的作用范围?还有,为什么这些力的固有强度会有那么大的差别?最后,有没有一种方法,能将这四种基本力统一为一个整体?”

弗朗西斯顿了顿,然后继续说道:“人们试图寻找一种大统一理论——试图用同一组方程式描述全部粒子和力的物理性质的理论或模型,即真正的万物之理。而对于这个难题,人类最终给出的答案就是弦理论。”

“弦理论的基本观点是:假如我们以更高的精度——比现有技术高许多数量级的精度——去考察那些粒子,我们会发现它们并不是点状的粒子,而是由一维的小环构成的。每一个粒子都像一根无限纤细的橡皮筋,一根振荡、跳动的丝线。这些弦的不同振荡方式,体现出了各种粒子的不同性质。”

“你应该注意到了,上面提到的是‘假如’,在人类的设想中,弦的大小平均大约是普朗克长度的尺寸,最敏锐的观察设施也无法观测到它。所以说弦理论一直处于理论阶段,只能通过一些实验从侧面证实理论的正确性。但是这并不妨碍这种理论为科技的进步提供推进力,它解释了许多原本让人疑惑的现象,而更重要的是它解决了相对论和量子力学的矛盾。以引力来说,从相对论我们知道,能量和质量像一枚硬币的两面,是同一事物的不同表现:大能量意味着大质量,大质量也就是大能量。那么,依照弦理论,基本粒子的质量决定于它内部弦的振动模式的能量。质量较大的粒子所具有的弦振动较剧烈,质量小的粒子所具有的弦振动较轻柔。因为粒子的质量决定着它的引力性质,于是可以得出结论:弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。由此,弦理论为人类带来了一个包容一切的、统一的物理宇宙的描述,一个包罗万象的理论:物质的每一个粒子,力的每一个传递者,都是由一根弦组成的,而弦的振动模式则是识别每个粒子的“指纹”。发生在宇宙间的每一个物理学事件,每一个过程,在最基本的水平上都能用作用在这些基本物质组成间的力来描写。”

“它,就是鸣奏宇宙交响曲的琴弦。”

PS:本章节借鉴了《宇宙的琴弦》一书,对弦理论有兴趣的人不妨去看一看,虽然是很高端的科学知识,却被作者以通俗易懂的方式解释出来,值得一看。另外,不感兴趣的读者略过本章内容也无所谓,不影响剧情的衔接。

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