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第107章时与空
万有引力与电磁力如何融合,这是一个极其深刻且前沿的问题。
至今尚未在实验上成功融合,这是现代物理学最重大的未解难题之一。
当前的尝试主要围绕在“量子引力”
理论的框架下,將引力也描述为一种通过“引力子”
传递的量子力,从而在基本层面上与描述电磁力的“量子电动力学”
统一。
以下是详细的解释:
1.根本性的困难:理论与框架的衝突引力和电磁力在本质上是两套截然不同的语言:
广义相对论:將引力视为时空几何的弯曲。
它是一种经典的、连续的理论。
大质量物体告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物体如何运动。
量子电动力学:將电磁力视为通过交换“信使粒子”
来传递的量子相互作用。
它是一个成功的量子理论,充满了概率性和离散性。
將这两者融合的尝试,就像试图用两种完全不同的语法写同一句话,会產生无法调和的矛盾。
2.主要的融合尝试与理论物理学家们提出了多种理论来尝试统一它们,其中最主流的是:
第一种,卡鲁扎-克莱因理论一一经典统一的开端,这是最早的伟大尝试。
西奥多·
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卡鲁扎提出,如果我们將宇宙想像成不是四维,三维空间加一维时间,而是五维,那么在这个更高维度的时空中,引力场方程可以自然地分解出我们熟悉的四维引力方程和四维的麦克斯韦电磁方程。
核心思想:电磁力实际上是引力在一个微小捲曲的额外维度中的表现。
意义:它开创了通过高维空间统一基本相互作用的先河,为后来的弦理论奠定了重要思想基础。
第二种,弦理论一一当前最有希望的候选者,弦理论试图通过一个更基本的概念来统一所有力和物质。
核心思想:宇宙的基本单元不是点状的粒子,而是微小振动的能量“弦”
。
不同的振动模式表现为不同的粒子。
至於如何统一?
弦理论必然预言了“引力子”
的存在一一一种传递引力的信使粒子,这为引力提供了量子描述。
它同样描述了光子和其他粒子。
在弦理论的框架下,引力和电磁力都源於弦的不同振动方式,从而在根源上实现了统一c
要求:弦理论为了数学上的自洽,需要十维或十一维的时空,其中多余的维度都紧密地捲曲到极小的尺度。
第三种,圈量子引力一一另一条路径,这条路径不像弦理论那样试图统一所有力,而是专注於为广义相对论本身提供量子化的描述。
核心思想:时空本身是离散的,由极小的“时空原子”
构成。
它提供了时空的量子结构。
与统一的关係:它主要解决引力的量子化问题。
要最终统一电磁力,可能需要將圈量子引力与描述其他力的標准模型以某种方式结合,但这仍是一个开放的研究领域。
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