深度科普：宇宙的基本单元是粒子还是波？或许都不是！

发布日期：2025-09-23 00:21    点击次数：68

在1984年，格林与施瓦兹携手提出了震撼世界的弦理论。该理论颠覆了我们对宇宙深处微观领域的传统认知，并经历了数代物理学者的不懈钻研，终将之与爱因斯坦广义相对论及量子力学巧妙融为一体。

弦理论的发展史并非一帆风顺，其间两次重大突破被理论家们形象地称作“超弦革命”。

首次革命大约在1984至1986年间，被誉为“第一次超弦革命”。短短三年时间里，全球的物理学界围绕超弦理论撰写了超过千篇研究论文。尽管弦理论被誉为领域内的璀璨明星，然而后续也饱受争议与沉寂期的考验。

紧接着，在1995年的一场于南加州举办的物理学会议上，物理学家惠藤提出了一套新策略，看似有望解决理论中的难点。这使得全球超弦研究者再次看到了光明，该事件被命名为“第二次超弦革命”。

弦理论的基本观点如下：

首先，宇宙的基本单位并非传统观点中的点粒子，而是像一根可上下振动的细长橡皮筋。各种不同种类的粒子，实际上仅是这根弦不同振动模式的外在表现。

其次，宇宙中的所有物质及其间相互作用力皆源于这些振动的弦线，弦的尺寸微小得不可思议，其尺度约为普朗克长度，大约是原子核尺度的亿亿分之一（小数点后跟19个零）。

再者，这些弦构成了宇宙中一切实体的“基本单位”，可以将其视为“基本元素”。若深入探索比弦更微小的结构，在物理学意义上已经不再有意义。

弦的振动与粒子质量之间的关系简单明了。

弦的振动愈激烈，意味着粒子携带的能量愈大；反之，弦振动愈柔和，则粒子能量愈小。正如我们所熟悉的现象：当琴弦受到强烈拨动时，振动剧烈；轻柔拨动则振动平缓。而根据爱因斯坦的质量与能量关系，能量与质量其实为同一实体的两面：能量大则质量大，能量小则质量小。所以，粒子振动剧烈的质量较大，反之亦然。

弦理论还认为，每个基本粒子所呈现的种种属性，均源自其内部弦的特定振动模式。每种基本粒子由单独的弦构成，而所有弦本质上完全相同。我们所观察到的不同基本粒子，实际上是在同一弦上演奏着各种不同的“音符”。一个由无数弦共同振动形成的宇宙，宛如一曲壮丽的交响乐章。

在量子力学领域，我们早已知道每个粒子同时具有波动性，即所谓的波粒二象性。如今我们明白了，粒子的波动性实际上源于弦的振动。

科学家们还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用密切相关。同样的关联也存在于弦振动模式与其他种类基本力之间，一根弦携带的电磁力、弱力和强力完全由其振动模式所决定。这让我们想到四大基本力。

在宇宙中，各种力将分散的基本粒子结合成形形色色的物质，并维持着宇宙的秩序。这些力最终可归结为四大基本力：引力、电磁力、弱力与强力。

这四大力的来源各不相同。引力源于物体间的质量吸引，任何两个具有质量的物体之间均存在引力，质量越大，引力也越强。电磁力由粒子所带的电荷引起，同性电荷互相排斥，异性电荷互相吸引。不带电的粒子则不受电磁力影响。强力则将夸克紧密结合，也被称为核力，它源自夸克间的一种特殊电荷，即“颜色电荷”。弱力则负责改变粒子状态，不产生推拉作用，如核聚变与核裂变等过程便由弱力主导。

这四大力在强度与作用范围上存在巨大差异。以电磁力强度为单位1来比较，强力约为单位的100倍，弱力约为1/1000，而引力则微弱至几乎可以忽略，在微观世界中仅约等于电磁力的1040分之一。作用范围方面，引力可作用于整个宇宙；电磁力理论上可作用至无限远，但实际上，大多数物体因正负电荷相抵消而呈电中性，故无电磁力作用。强力与弱力的作用范围则极为有限，仅限于粒子间。

这四大性质迥异的基本力共同塑造了我们的宇宙。

自138亿年前的宇宙大爆炸以来，我们的宇宙时刻在变化，瞬息万变。

然而，我们假设控制这些变化的物理定律却是恒定不变的，即使有所变化，也极为缓慢。物理学家将这种定律不随时间与空间变化的性质称为自然的对称性，正如四大基本力在不同尺度下均遵循相同的规律一样。

基本粒子，如电子，能像地球绕太阳一样绕原子核旋转，但电子并未显示出类似地球自转的规律。然而，安培百年前就证明了磁性源自电荷运动。科学家们随后发现电子不仅公转，也自转，这一特性不仅限于电子，其他三类物质粒子也有同样表现。这意味着在宏观世界与微观世界中，我们观察到的规律是一致的。

在弦理论框架中，粒子的自旋与质量、力荷一样，也与弦的振动模式息息相关。所有弦振动模式中，一种无质量的2-自旋粒子正是引力的显著特征。

只要有引力子存在，引力便随之而来。这表明弦具有引力特性。

1973年，物理学家韦斯与朱米诺发现了超对称性，这种新出现在弦理论中的对称性，能够应用于点粒子为基础的理论。这是一项重大发现，将超对称性引入到点粒子量子场论中。到了80年代中期，随着超弦理论的复兴，超对称性在理论发展中再度出现。超对称性的加入，解决了包括费米子振动模式在内的难题，实现了引力的量子化，并促成弦理论中四大基本力的统一。