中学生都可以看明白的“弦理论和量子力学”

如果你在谈论量子物理学，尤其是它们与现代物理学的关系，那么你可能会遇到“弦理论”这个术语。这听起来像是对打结或系绳的研究，取决于你怎么看，这与事实相去不远。

弦理论家的目标不是打结，而是把广义相对论和量子物理学联N 系起来。这是存在于日常生活中的两个截然不同的领域，每一个领域都有自己的法则来定义宇宙的各个部分是如何运作的。

广义相对论是研究“大尺度”的学科。牛顿万有引力定律（万有引力的大小与两个物体的质量之积成正比，4 j + 7 Q ] H而与它们的x 9 4 N I W 0 |距离平方成反比）Y 1 c是在适当的范围内与广义相对论一致的定律 p N [ :之一。这可以通过观察史瓦西方程的测地线运动得到。

• 基本的史瓦西半径计算，= u m & ~ _ S ~ P其中R =半径，G =重力常数，M =黑洞质量，c =光速。

量子物理学是研究“小尺度”的? b 4 1 f M 7 f学科。当你观察量子世界的时候，你会发现几乎所有的东西都在$ Q T b (粒子层面上。这里的一个想法是量子叠加，你可以得到一个量子位，它同时具有0和1的值，以及介于0和1之间的每一个数字。这主要适用于小粒子，比如光子。J 1 a o U /

在这两种情况下，我们得到了两个非常重要的东西，它们给了我们宇宙的法则。不幸的是，这些定律通常是不一致的，当我们把它们应用到量子上时，我们得到的方程是有意A , v x . y ! a义的，但当我们试着把它们放大时，就完全没有意义了。

谁V : W把猫从盒子里放出来了？

这里，我猜你们听说过薛定谔的猫，如果没有，这里有一个简短的总结：r X o R

盒子里有一只猫，里面有一个放射性元素，一个探测器，还有一瓶毒药。

• 这个装置看起来是这样的：探测器，放射性元素，和毒药，都在猫的附近。然而，接下来的事件决定了猫的命运。猫的命运是不能完全知道的，直到我们打开盒子，猫有两种状态一：死亡状态或活着的$ j Z状态。

探z Y _ : u 7 k B测器检测到放射性元素，探测器打碎了毒药瓶，杀死了猫。结局：猫死了。

或者，放射性元素没有被检测到，毒物没有被破坏，因此猫活了下来。结局：猫Y / a V ` N还活着。

那么这只( + M g w M Q猫是死是活呢？好吧，我们不知道，直到我们打开了盒子，这意味着，在那一刻到来之前，猫同时是活着的和死的。但是，当您查看猫时，会假定它处于一种状态。这就是量子) Y h _ l -叠p K , J w t加的整个概念；它们在两种状态下都存在，直到它/ O s 6 x ! n V 2们被观察到，然后它们假设其中一个。

当薛定谔提出这个想法时w % u V K m v 9，它最初被用作一个^ r m 0 p 6 j思维实验，后来被用来解释叠加。在, 1 F y : & l 4现实中，这是行不通的，因为你不能让一只猫同时既是活的又是死的，而你可以让一个粒子同时既是1又是0。

• 叠加：两种状态，直到被观察到为止，在这种g = k R { ; Q情况下，只有一种状态可以被认为是粒# l l ? j 6 `子的真实状态。

这对经典力学来说不是好兆头；原因是宏观~ n e X ) : * # p世界中的物体之间的相互作用比粒子之间的相互作用要多。在讨论量子领域的粒子时，观察它们是如何保持量子相干性的也很重要。

量子相干性—量子态的魔术贴

让我^ _ Q o G们来看看维持量子态的必要状态，也就是量子相干态。当一个粒子处于量子相干时，你基本上可以把它想象成叠加；同时处于两种状态的能力。

• 量子相干是一种保持在量子态的能力，可以经历叠加，也可以是之后的纠缠，在纠缠中，两个粒子同时代表相同的东西，因为它们被` C %纠缠了。

另一种思考方式是有一个粒子它可以和很多不同的系统相互作用，因此是理想的实验。

不仅如此，在研究经典力学时，我们还会看到具有可测量性质的物体。然而，当我们进入量子的世界，仅仅因o ! ! B 8 W L +。他们不是像爱_ f , b m n因斯坦那样直接否定量子定律，而是在寻找一种能把一切都联系起来的宇宙常数，来解释为什么量子定律在保持广义相对论恒m % 定不变的情况下仍然适用。

弦理论是一个理论框架，它表明在我们的宇{ S , { C宙中存在两个物体：

量子力学的概念也适用于物理对象，比如电$ q ; { F R ,磁场。为了开始理解弦，它们基本上是点状的量子场论粒子，可以放入一维模型中，称为弦。弦的长度符合普朗克尺度，即量子引力具有重要意义的水平。后来，玻色子弦理论被称为超弦理论，试图解释所有粒子的运动。

• 这说明了什么是可能的维度. S a v 1 E X ，尽管弦理论假设有超过10个T { 6 j n维度！

超出我们通常看到的额外维度。我们通常接受的维度是高度，宽度和长度。然而，广义相对论把时间作为一个维度，把宇宙变成了四维空] B h间。当我们研究弦理论的时候，我们通常会假设不是四维，而是更多的维。有时是因为物理的某些性质在多维度的假设下更有效。其他时候则是认为已经存在不止一% C b个维度，但所有维O v K度都设法逃脱了检测。一些维数更多的理论是r Q @ Z M | w & 玻色子弦理论（26维）和m理论（11维）。

二元性——弦理论的观点。弦理论的主要二元性之一是s -对偶性。, ) T这表明，在另一种理论中，一组强相互作用的粒子可以被看作是一组弱相互作用的粒子。另一种版本是t -对偶性，其中某些字符串可以围绕一个循环的、交替的O M z 3 Z a $ Q维N / G 1 * a j u度传播。二元性并不总是与弦理论相对应——你也可以在量子场论中找到二元性。

• 这张图显示了某些理论D ^ W j g e l v B什么一切都是这样的。它可以包括字符串、额外维度和二元性，所有这些都是D } e V G用来解释和理解宇宙的J n { ) C P u } 9。

关于宇宙M ( b N x S O，我们还有很多东西需要了解。我们可能在我的N i K有生之年学不到，你L w : B @ ( d ( i们的有生之年也学不到，但答案就在那里。我们所要做的就是发现它L E ~ L i q们。