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史上最烧脑物理学科普，看完瞬间涨知识！( 五 )


如今，相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架，有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体： 一个单一的理论，一个能描述一切现象的理论，这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。
弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子，实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式，正如小提琴上的弦。
弦理论中的宇宙弦 (我们把弦论中的弦称作超弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。
每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位，即普朗克长度（10E -33厘米）。弦实在是太细微了，从远处观察，我们实在无法区分它究竟是弦的共振还是粒子。只有当我们把粒子放大，我们才能看出那根本不是一个点状粒子，而是一种振动弦。
按照超弦理论，粒子并非是宇宙的基本元素， 物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深，可以解释所有的自然基本定律。
简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海，那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐！甚至包含生命复杂信息和编码的去氧核糖核酸（DNA）分子，也是类似弦的结构。 弦，是能够储存大量数据的最精简的方式之一。
超弦理论，以及在其基础上发展起来的弦场理论，统合了所有的自然律和作用力，菲尔兹奖章（诺贝尔奖没有设立数学奖，菲尔兹是数学界的最高奖项）获得者维藤说：“所有物理学上的伟大思想，都是超弦理论的副产品。”
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拉马努金，确立十维宇宙
超弦理论似乎包含了所有的物理学知识，极其广博精深。许多科学家认为，这是二十一世纪的物理学，意外落入二十世纪，但是人类还没有发明二十一世纪的数学，来精确描述它。
有一个重大秘密： 我们只能在二十六维与十维中定义弦论，否则就无法用弦论整合已知的物理定律。解开这个秘密的，是堪比当年黎曼的另一位数学天才 拉马努金（Srinivasa Ramanujan）。
拉马努金一八八七年出生于印度，少时坎坷，甚至没有通过升高三的考试。二十六岁那年，他给著名数学家 哈代写了一封信，信中包含了一百二十个定理。这位贫穷孤立的印度哥们，完全不知道欧洲数学界的任何研究资讯， 纯粹凭个人才智、按照自己的方法，重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律。
史上最烧脑物理学科普，看完瞬间涨知识！
文章插图

拉马努金的研究成果包含了三册四百多页的笔记，其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了 拉马努金模函数（Ramanujan funcation），这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。这些数学式证明： 弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说，产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙，它的维度数一定是十！（1994年开始了弦论的第二次革命。此后诞生的“M理论”被认为是最新的大一统理论模型，M理论认为：历史上五种不同的弦论在本质上被证明是等价的，它们可以从11维时空的M理论导出。）
写到这儿，这一段物理诗史基本可以告一段落。从黎曼、爱因斯坦的重力场，到量子力学，到超重力论，到超弦理论，到M理论，人类历史上这些伟大的智慧头脑，前赴后继探寻宇宙的真理，已经为我们描述了宇宙诞生的全过程，也就是开始于10E－34秒的创世时间表。
让我们一起看看，弦论以降，科学到底是怎样解释我们所存在的这个宇宙的：
Ⅰ、宇宙的诞生
正如我们之前所介绍的那样，创世的刹那，开始于“大爆炸”Big Bang，自10E－34秒开始，历经150亿年形成我们今天的宇宙。
宇宙“大爆炸”的实验证据主要有以下四点：
1、经由测量 恒星光线的扭曲的现象，一再证实恒星正以高速远离我们而去，而且，离我们越远的恒星或星系，会以越高的速度远离我们而去；
2、“大爆炸”理论预测 宇宙中氦与氢的比例应该接近25% : 75%，实际测量数据与该预测高度吻合；
3、通过对放射性物质衰变的测量，我们 可以为地球上的岩石和陨石断年，目前没有发现任何物体可以追溯到“大爆炸”之前；
4、“大爆炸”产生了宇宙回音， 这种微波辐射至今仍在宇宙回响，一九六五年，人类侦测到了这个微波背景辐射（microwave backgroundradiation）。

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