超弦理论第二十八讲弦理论是在耍花招吗？其实并不是

　　上一文有人提出对于弦理论解释相对论与量子力学矛盾的答案不太满意，今天就来详细解释一下，为什么弦理论就能拥有强大的解释能力？
　　要准确地理解弦理论解决问题的中心思想，我们首先要明白在原本的量子场论中，为什么在结合相对论的条件下，会出现无穷大的计算结果。
　　过去，我们一直认为物质是粒子性的，最小的单位结构应该是零维的点。那就以此为基础我们来推论一下，假如最微观的物质就是点粒子，我们用它来探测微观世界，将会出现怎样的结果？
　　我们想象一下在高能加速器里两个粒子加速然后相撞的场景，其最后的结果一定会因为两个的碰撞而发生轨道的偏转。当然这是低能层次的碰撞，在更高能量的情况下发生碰撞也许还会发生粒子破碎的现象。
　　不过，我们来设想一下一种比较特殊的碰撞方式，正反物质相撞。我们知道，当正反物质接触到一起的时候，会发生物质的湮灭，所有质量都会变成纯纯的能量。假设目前是一对正反电子正在发生碰撞，那么在他们接触的一瞬间，立马就会湮灭并有光子的生成。
　　而在其后，光子会迅速逃离，并在一段时间过后重新生成另外一对正反电子。如果我们以电子是点状粒子的视角来观测整个过程的话，大概就是下图这种情况。
　　请大伙注意看，假如粒子是零维的点的话，在正反电子接触那一瞬间，我们能够确定一个十分重要的东西，那就是两个粒子碰撞的地方，竟然是一个确定的点。
　　别小看这个结论，因为这个结论就是相对论与量子力学爆发矛盾的地方。因为这个精确的时空点，对于以任何形式运动的观测者来说，都是可以确定的。如果把这个确定的空间点的结论进行计算的话，它不仅违背的宏观世界得出来的相对论结论，并且还存在着计算结果无穷大的问题。
　　但其实并非没有物理学家注意点这个问题，点粒子的构造的确在这个实验中很难调和与相对论的矛盾。在弦理论出现之前，也有人尝试构造过一个非零维的基本物质理论，只可惜当时失败了。比如泡利和海森堡狄拉克费曼等人，就提出过我们的世界可能并不是由一些基本点组成的观点。但在当时，由于理论物理的固有观念，他们发现如果我们用一些其它结构来代替点粒子结构的话，会出现很多不可思议的结论，导致违背量子力学和相对论。采用完全不同的物质结构，还要满足当下理论的条件，似乎不太可能。
　　不过，既然点粒子结构说不通，那么弦理论怎么就能解决这个问题呢？
　　同样是上面那个实验，假设正反电子的结构是一维的弦，又会呈现怎样的实验结果呢？
　　基本的过程几乎差不多，两根线圈加速后然后相互碰撞。不过所不同的是，碰撞后的弦并不会因此而完全泯灭，而是在碰撞以后生成一根特殊的弦，而这根弦，就是所谓的光子。当然这些量子场论也能做，所以最重要的是，怎么解释碰撞的那一瞬间。
　　我们假设在碰撞的那一刻，分别有两位不同的运动状态的观测者在同时对这个现象进行记录。上文已经提到，点状粒子的时候，不同观测者都能确定碰撞的精确位置。那么现在变成了弦，他们还会有相同的看法吗？
　　答案是，这一次不会了。对于不同的观测者，他们对于弦在什么地点相遇的结论，将会有不同的看法。
　　跟爱因斯坦研究相对论的思想实验时候一样，我们使两个观测者处于不同的观测状态，一个处于标准参考系且静止，另外一个则处于相对运动的状态之中。
　　好，现在我们来请他们来描述上文所说的两根弦碰撞并发生作用的全过程。静止的观测者一定会说，他看到了两根弦圈发生碰撞，并融合成了另外一种全新的弦。
　　而那个运动的观测者，他还会观测到相同的现象吗？但其实，并不会。从运动观测者的视角来说，事件并不会同时发生，在空间里同时发生的事情会处于不同的时间点。
　　对于两个观测者来说，同一事件，对于他们发生作用的时间和空间地点，他们却有不同的看法。因为在他们的视角里，弦也是具有空间大小，具体的情况，将会依赖于观测者的运动状态。
　　听到这里的时候是不是有了一种特别熟悉的感觉？对，这就是相对论。通过把零维的点转化成一维的弦，我们成功地把粒子之间的相互作用相对论化了。
　　在以前的点状粒子理论中，如果粒子之间的作用是具有确定的时空点的话，计算其它力都还好，但是一旦把它用在引力的计算上，那么这种把相互作用挤在一起的算法，将会带来无穷大的结果。
　　相反，如果把粒子看成弦的话，相对论的结论就有用武之地了。由于观测者通过相对论效应能观测到不同的实验结果，所以如果把其运用到引力的计算的话，所谓的无穷大结果也将变得有限。而这个过程，就是我上文所讲的弦通过扩张把时空抹平的办法。
　　就这样，由于我们成功地把量子力学相对论化了，原来困难重重的矛盾，我们现在也可以成功地化解了。在原来的观念中，微观世界没有最小而只有更小。但弦理论告诉我们，普朗克尺度以下的疯狂量子世界是不存在的，我们的世界不可能无限地精细下去。这就跟不确定性原理一样，并非我们做不到，而是世界就是这样，物理学定律限制了我们对于微观世界的认知。当代物理学的核心矛盾，某种程度上来说其实是我们生造出来的。以前我们总是在任意尺度下思考问题，但弦理论告诉我们，有些事情是不可逾越的。我们的宇宙，存在着一个空间的极限距离，那就是普朗克尺度。采用哲学的阿卡姆剃刀原理，如无必要，勿增实体。我们做理论物理的研究，最好如此。一条我们永远观测不到的龙与世界并不在龙的说法，某种意义上其实是等价的。
　　所以由上所知，广义相对论与量子力学的矛盾是我们假设普朗克尺度以下世界存在才有的问题，而我们的世界如果不可能拥有对它的认知，那么矛盾也就不存在了。就这样，在弦理论的帮助下，两个物理学的终极理论，终于可以握手言和了。
　　好了，对于第一次超弦革命的弦理论是如何解决问题的内容暂时就介绍到这里。通过以上知识点我们知道，弦能够做很多事儿，比如很好地描述量子力学框架，比如通过共振预言了引力子，比如说明了点状粒子结构的局限性。
　　但这里便出现了一个问题，我们知道弦理论是一个纯理论，其结论并没有真正验证过，那么我们又怎么就一定能够确定弦理论有关一维弦的论述是正确的呢？那么有没有可能我们最微观的世界其实并不是一维的弦而是二维的膜或者三维的体呢？
　　这个说法很有意思，并非没有道理。实际上，有很多物理学家也是这么想的。上个世纪九十年代由威腾等人引起的第二次超弦革命，就引发相关的讨论。弦理论实际上可能还包含着许多不同维度的东西，比如二维膜三维体，比如还有更多奇奇怪怪的东西。弦理论的研究者们认为在我们的世界中，其实存在着更高维度的世界。
　　而这，就是我们接下来要讲的内容。
　　好了，今之文到此结束
　　喜欢理论物理的小伙伴们可以点个关注
　　我们未来再会