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我们如何测试、证明或找到弦理论的证据?

物理学的现代趋势似乎是弦理论。虽然这对许多物理学家来说是一场巨大的赌博,但该理论吸引了它的追随者,因为它所涉及的数学的优雅。简单地说,弦理论认为宇宙是由“微小的振动能量弦”的模式变化组成的。如果不使用这些模式,宇宙中的任何东西都无法被描述。通过物体之间的相互作用,它们通过这些微小的弦连接起来。这样的想法与我们对现实的许多看法背道而驰,不幸的是,目前还没有证据证明这些弦的存在(Kaku 31-2)。

这些字符串的重要性不容低估。根据这个理论,所有的力和粒子都是相互关联的;它们只是频率不同而已。这些频率的改变导致粒子的变化。这种变化通常是由运动引起的,弦的运动引起重力。

如果这是真的,那么它将是万物理论的关键,或者是统一宇宙中所有力量的方法。这就是几十年来一直在物理学家面前徘徊的多汁牛排,但到目前为止仍然难以捉摸。弦理论背后的所有数学都得到了验证,但最大的问题是弦理论的解的数量;每一个都需要一个不同的宇宙才能存在。检验每个结果的唯一方法是有一个婴儿宇宙来观察。由于这是不可能的,我们需要不同的方法来检验弦理论(32)。

重力波

根据弦理论,构成现实的弦的大小是质子的十亿分之一。这对我们来说太小了,我们看不到,所以我们必须找到一种方法来测试它们是否存在。寻找这些证据的最佳地点是宇宙之初,那时一切都很小。

因为振动导致了引力,在宇宙之初,一切都在向外运动;因此,这些引力振动应该以光速传播。该理论告诉我们,我们期望这些波的频率是多少,所以如果能找到宇宙诞生时的引力波,我们就能知道弦理论是否正确(32-3)。

几个引力波探测器已经在工作中。2002年,激光干涉仪引力波天文台投入使用,但直到2010年关闭时,它还没有发现引力波的证据。另一个尚未发射的探测器是LISA,即激光干涉仪空间天线。它将由三颗卫星组成三角形,激光在它们之间来回发射。这些激光将能够判断是否有什么东西导致光束偏离轨道。天文台将非常敏感,它将能够探测到十亿分之一英寸的偏转。这种偏转假设是由它们在时空中旅行时的引力涟漪引起的。

弦理论学家感兴趣的部分是LISA将像WMAP一样,凝视早期的宇宙。如果工作正常,LISA将能够看到大爆炸后万亿分之一秒内的引力波。WMAP只能看到大爆炸后的30万年。有了这种宇宙观,科学家们将能够看到弦理论是否正确(33)。

粒子加速器

寻找弦理论证据的另一个途径是粒子加速器。具体来说,位于瑞士和法国边境的大型强子对撞机(LHC)。这台机器将能够产生产生大质量粒子所需的高能碰撞,根据弦理论,大质量粒子只是来自“弦的最低振动模式”的更高振动,或者用通俗的说法:质子、电子和中子。事实上,弦理论认为,这些大质量粒子甚至是质子、中子和电子的对等体,处于一种类似对称的状态(33-4)。

虽然没有一个理论声称拥有所有的答案,但标准理论确实有一些弦理论认为它可以解决的问题。首先,标准理论有超过19个不同的变量可以调整,三个粒子本质上是相同的(电子、μ子和中微子),但它仍然没有办法描述量子层面上的引力.弦理论认为这没关系,因为标准理论只是“弦的最低振动”,其他振动还没有被发现。

大型强子对撞机将为这个问题提供一些线索。如果弦理论是正确的,大型强子对撞机将能够创造出微型黑洞,尽管这还没有发生。LHC还可能揭示弦理论通过推动重粒子而预测的隐藏维度,但这也尚未发生(34)。

牛顿万有引力理论中的缺陷

当我们在大尺度上观察引力时,我们依靠爱因斯坦的相对论来理解它。在小范围的日常生活中,我们倾向于使用牛顿的万有引力。它工作得很好,没有问题,因为它是如何在小距离内工作的,这是我们主要的工作。然而,由于我们不了解非常小距离的引力,也许牛顿引力的一些缺陷会暴露出来。这些缺陷可以用弦理论来解释。

根据牛顿的理论,引力与两个物体之间距离的平方成反比。所以,它们之间的距离越小,力就越强。但重力也与两个物体的质量成正比。所以如果它们之间的质量越来越小,引力也会越来越小。根据弦理论,如果你到达一个小于一毫米的距离,引力实际上可以渗透到弦理论预测的其他维度。最大的问题是牛顿的理论非常有效,所以对任何缺陷的测试都必须非常严格(34)。

1999年,位于博尔德的科罗拉多大学的John Price和他的团队测试了这种小范围内的任何偏差。他拿了两根相距0.108毫米的平行钨簧片,让其中一根以每秒1000次的速度振动。这些振动会改变芦苇之间的距离,从而改变另一个芦苇的重力。他的仪器能够测量小到1 x 10的变化9一粒沙子的重量。尽管如此敏感,在引力理论中没有发现偏差(35)。

暗物质

虽然我们仍然不确定暗物质的许多性质,但暗物质已经定义了银河系的秩序。巨大而无形,它将星系聚集在一起。尽管我们目前还没有方法来描述它弦理论有一种粒子或一种粒子,可以解释它。事实上,它应该在宇宙中无处不在,随着地球的运动,它应该会遇到暗物质。这意味着我们可以捕获一些(35-6)。

捕获暗物质的最佳方案包括液态氙和锗晶体,所有这些都是在非常低的温度下进行的,并保持在地下,以确保没有其他粒子与它们相互作用。希望暗物质粒子会与这种物质碰撞,产生光、热和原子的运动。探测器可以记录下这一过程,然后确定它是否真的是暗物质粒子。困难在于探测,因为许多其他类型的粒子可以发出与暗物质碰撞相同的轮廓(36)。

1999年,罗马的一个研究小组声称发现了这样的碰撞,但他们无法重现这一结果。位于明尼苏达州苏丹矿的另一个暗物质装置的灵敏度是罗马装置的10倍,而且没有探测到任何粒子。尽管如此,研究仍在继续,如果发现了这样的碰撞,它将与预期的粒子进行比较,这被称为中性微子。

弦理论认为它们是在大爆炸之后产生和毁灭的。随着宇宙温度的下降,更多的是创造而不是毁灭。中性微子(玻色子粒子)的数量应该是正常情况下的十倍。这也与目前对暗物质的估计相符(36)。

如果没有发现暗物质粒子,对天体物理学来说将是一个巨大的危机。但弦理论仍然有一个与现实相符的答案。而不是我们这个维度的粒子将星系聚集在一起,它们将指出我们宇宙之外的另一个维度与我们的空间接近(36-7)。无论情况如何,随着我们继续以多种方式测试弦理论背后的真相,我们很快就会有答案。

作品的引用

Kaku渡。"测试弦理论"发现2005年8月:31-7。打印。

©2014 Leonard Kelley

评论

米凯尔乔治2020年1月16日:

超弦理论是一种解释创造宇宙的大爆炸起源的理论

140亿年前

因为超弦理论是将所有力统一成真正的数学方程的理论

超弦理论预测了宇宙背景辐射中质量重粒子的迹象

重粒子是超对称的

超弦理论的第二个预言是引力波的影响

引力波是那些超弦从大爆炸那一刻起的振动

在宇宙背景辐射中也是如此

因此,必须在卫星上开发探测装置

该装置将验证超弦理论的预期

在宇宙背景辐射中,它是大爆炸的热残留物

请将我的建议提交给实验研究人员和技术工程师

伦纳德·凯利(作者)2019年11月19日:

这是有帮助的,但我们如何有效地衡量它呢?

列侬叶片2019年11月19日:

我们可以制造一个微观黑洞,并研究它的组成

伦纳德·凯利(作者)2015年5月23日:

当然,存在多元宇宙的量子证据。量子理论很好地解释了微观尺度上的大多数物理现象!但多元宇宙的证据可能来自于膨胀产生的引力波。弦理论可能也预测到了这一点,但我不能确认也不能否认。

克里OCreene2015年5月22日:

我相信这已经发生了,并解释了我们的存在,多重宇宙,以及基于良心观察者的原子行为。这可能不是一个“上帝”,但它是一个有指导的过程,并解释了一切。

伦纳德·凯利(作者)2015年5月22日:

总有一天,物理学的莎士比亚会发生!说真的,谁知道呢。如果有证据指向这一点,这肯定会被调查。

克里OCreene2015年5月22日:

1701TheOriginol,谢谢你的文章,我喜欢读。我注意到你指出“构成现实的弦的大小是质子的十亿分之一”。如果有无限多的弦在无限长的时间内你认为最终会发生什么?简明的无限猴子定理。如果给一只猴子一台打字机和无限长的时间,他最终会完成莎士比亚的作品。我相信这只是时间问题,这些弦会在瞬间结合,达到终极认知,并拥有能力——创造所有的可能性。

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