什么是宇宙弦？

1. 什么是宇宙弦？

十万个冷知识

2. 什么是宇宙弦?

近300年来的科学发展仅仅揭开了宇宙的一小块神秘面纱。在17世纪，牛顿通过一个落地的苹果发现了地球引力的存在，提出了万有引力的学说。200年后，法拉第和麦克斯韦发现电流会产生磁场，运动的磁场可以产生电流，建立了电磁体系。到了20世纪，爱因斯坦的科学研究发现并证明了空间、时间和引力紧紧结合在一起，你不能够仅仅单独拎出一项来研究。爱因斯坦毕生的梦想就是提出一个能将力学与电磁学完整协调统一在一起，并能解释物理领域的所有现象的理论。很遗憾的是，他没能完成。 科学家想象中的宇宙弦 直到20世纪80年代，弦论爆炸般地登上了理论物理学的舞台，使物理学的统一不再是一个遥不可及的神话。弦论是目前最流行的理论，如果弦论真的被证明了，基本粒子和引力就能统一起来，我们知道的所有理论都能在它的理论支持下完美地被解释，并遵循所有的物理法则，人们对宇宙的认识将会更进一层。为什么会有重力，为什么电子有质量，为什么电子和质子的质量比是1：1864。人们将不再对这些问题毫无头绪。 弦论就像它的字面意思一样，它的基本观点是，所有的基本粒子其实是一种物质在不同状态下的表现，这种基本物质是：弦。这是怎么意思呢？比如说电子，这种基本粒子是没有内部构造的一个点，一个点除了移动可以产生任何现象。如果从弦论来看，微观世界里的电子并不仅仅是一个点，而是一个微小的极细的闭合弦。弦可以以不同方式震荡，就像小提琴的弦在不同的振动下会发出不同音调的声音一样，弦的不同震荡会使其表现出各种形态的粒子。当它以一种形式震荡时，表现的是电子的形态，而如果以另一种形式震荡，则表现中子的形态，或是夸克，或是其他。弦论的先锋物理学家们还认为，弦的震荡可以产生力的作用，这就使力学与量子力学统一起来。 那么宇宙弦呢？科学家们认为，宇宙弦是宇宙的遗迹，在宇宙大爆炸之初的极短瞬间形成，过程类似于“结晶”。在大爆炸的那一瞬间，宇宙空间本身变成由弦状物质组成的间断立体面。这样想象可以帮助你更好地理解，池塘的表面开始结冰，每一块冰都在不断膨胀、扩散，直到它们碰撞上其他冰块才停止，这些冰块的模样就像闭合的弦一样。宇宙弦的产生可以认为是宇宙大爆炸后宇宙空间的冷却。一些宇宙学家们认为空间也有自己的纹理，由弦或其他纹理构成，当宇宙中的物质冷却下来，就形成了星系。 但我们并不能直接看见这些弦，它们距离我们有数十亿光年。我们仅仅可以通过对宇宙微波、射线、引力辐射的精密测量，寻找证据来证明它们存在。宇宙弦也是解释宇宙射线的最好理论。 这些弦在整个宇宙中交织，比一粒原子更细，有巨大的密度（在巨大的压力之下）。这意味着它们将会对经过的任何东西产生相当大的引力，使在宇宙弦上的东西能以超速行进。因此，有人提出，将两根宇宙弦拉近到一起或将一根宇宙弦靠近黑洞，就可能将空间和时间压缩到足够的极限，从而产生封闭类时曲线，实现时间旅行。 弦论不仅吸引了大量的物理学家，还使很多数学家也痴迷不已。它开拓了数学研究的新领域，使科学家们百思不得其解的关口豁然开朗。但是，宇宙弦的理论还远远只是冰山一角，一种理论必须通过实验才能得到最后的论证，要证实它，人们还有一段相当漫长的路要走。

3. 什么是宇宙弦？

十万个冷知识

4. 什么是宇宙弦?

宇宙弦（Cosmic string）是假设性的、理论上可能存在的时空。假设宇宙弦是成立的，在不同时空产生第一阶段变化时，在域边界取得了的两个地区之间的那个“弦”。这有点类似于界限之间形成晶体颗粒，在凝固的液体，或裂缝形成时，水冻结成冰。在我们的宇宙，如相变化可能发生在早期作为宇宙的形成。 它应出现于宇宙极早期时间，在大爆炸之初，0秒到1秒之间的极短瞬间。

此种物质的形态可能为封闭的环，可作弦式振荡，所以取名宇宙弦。宇宙弦这一物理概念是1981年维伦金等人提出来的，他们认为，宇宙大爆炸所产生的出威力应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子。这种管子便被叫做宇弦。理论工作者赋予宇宙弦的性质是异乎寻常的。它有点儿象蜘蛛丝，但远比原子还细。你可以穿过它走路而绝不会发现它。但是，一厘米的宇宙弦比整座喜马拉雅山的质量还要大，而且质量是可变的，完全取决于其张力：拉的越长，绷的越紧，质量越大。它的强度也极大。宇宙弦的活动与其临近的天体、宇宙膨胀密切相关。

宇宙弦是一个假设性的一维拓扑缺陷，在面料的时空。宇宙弦是假设成立时，不同地区的时空中进行第一阶段的变化，取得了域边界的两个地区之间见面时的。这有点类似于界限之间形成晶体颗粒，在凝固的液体，或裂缝形成时，水冻结成冰。在案件我们的宇宙，如相变化可能发生在早期作为宇宙的形成。

理论家赋予宇宙弦的另一个奇特的性质就是：要么伸展到无穷远处，要么形成闭合的无终点的环圈。

物理学家一直认为自然界有对称,例如亏子与轻子也是三族,又或正反粒子,CPT守衡等等.但物理界并不如我们所想般对称,如CP不守衡,而最大之不对称(asymmetry)是费米子及玻色子之自旋性,费米子要自旋两个圈才可见回原本景象,而玻色子只需自旋一个圈。

物理学家建立了N=8的“超对称理论”(Supersymmetry / SUSY)统一费米子与玻色子,那是认为这个宇宙除了四维之外,还有四维,这个八维宇宙叫超空间(superspace),然而这额外的四维不可被理解为时间抑或空间,八维宇宙是由费米子居住,物质可透过自旋由四维空间转入费米子居住之八维,又可由八维转回四维,即玻色子可换成费米子,费米子可转换成玻色子,它们没有分别,我们之所以看到它们自旋不同只不过是我们局限于四维而看不到八维的一个假象。

我打个比喻,如果你在地球上只会感同到三维(上下前后左右),我们虽然知道时间之存在,然而我们眼睛看不到,眼睛只帮我们分析三维系统,然而有可能这个世界是八维,而因为眼睛只可分辨三维而你无法得知。

科学家称这些一对之粒子为超对称伙伴(supersymmetric partner),如重力微子(gravitino),光微子(photino),胶微子(gluino),而费米子之伙伴叫超粒子(sparticle),只不过是在费米子前面加一个s,如超电子(selectron).可是我们知道费米子无论怎样转也转不出玻色子,亦没有发现费米子或玻色子转出来的超对称伙伴,例如电子就不是由任何已知玻色子转出来,假如每一玻色子或费米子都有其超对称伙伴,世界上之粒子数将会是现在的两倍。

有认为超对称伙伴质量比原本粒子高很多倍,只存在于高能量状态,我们处于安静宇宙是不能够被看见,只有在极稀有的情形下,超对称伙伴会衰变成普通的费米子及玻色子,当然我们尚未探测到超对称伙伴,否则就哄动啰! 

然而在超对称理论背后,弦理论(strange theory)正慢慢崛起,它也是为了统一费米子玻色子.弦理论认为这个世界无论玻色子抑或费米子都是由一样东西－弦(string)所组成,弦就像一条绳子,不过事实上它们真的太小向前地,故它们形成粒状的粒子 

起初物理学家认为闭弦理论必须是十维,因为只有十维的闭弦理论方可被重正则化(Renormalization),重正则化是物理学家为解决量子电动力学中出现'无限'所用的一个巧妙手法,其中多个无限项问题都与自我作用(self-interation)有关,我举一个电子与电磁场之无限项例子: 

电磁力之影响范围遵从平方反比定律,即1除距离之平方,电子与自己的距离是0,故影响自己之范围是1除0,等于无限,由于E=mc2,故电子质量岂非无限大!那和观察结果不乎.重正则化利用无限减无限得有限之方法计出电子质量(因为有限加无限也是无限)。

荷兰物理学家Hendrik Kramers认为电子之质量是由两个质量-bare mass及infinite mass组成,利用麦斯威尔方程(Maxwell Equation)计出另一个电子质量,又是无限,用第二个质量减第一个质量,剩下的就是bare mass,即电子正常质量。

当然那不是样样东西都可以重正则化,你要好巧妙地把式定成:(无限)-(无限+少少)=(少少),否则答案会是零,或答案尚是无限,最成功的例子是利用重正则化解释兰伯移动(Lamb Shift),兰伯移动解释在一条轨道上之两粒不同态之粒子(旋上旋下)能量有少许分别,所以旋上电子变成旋下电子会放出21.11cm微波辐射. 
事实上现今物理学上一个理论是否可行完全要看它是否可以被重正则化。

5. 什么是宇宙弦？

近300年来的科学发展仅仅揭开了宇宙的一小块神秘面纱。在17世纪，牛顿通过一个落地的苹果发现了地球引力的存在，提出了万有引力的学说。200年后，法拉第和麦克斯韦发现电流会产生磁场，运动的磁场可以产生电流，建立了电磁体系。到了20世纪，爱因斯坦的科学研究发现并证明了空间、时间和引力紧紧结合在一起，你不能够仅仅单独拎出一项来研究。爱因斯坦毕生的梦想就是提出一个能将力学与电磁学完整协调统一在一起，并能解释物理领域的所有现象的理论。很遗憾的是，他没能完成。
NASA科学家想象中的宇宙弦直到20世纪80年代，弦论爆炸般地登上了理论物理学的舞台，使物理学的统一不再是一个遥不可及的神话。弦论是目前最流行的理论，如果弦论真的被证明了，基本粒子和引力就能统一起来，我们知道的所有理论都能在它的理论支持下完美地被解释，并遵循所有的物理法则，人们对宇宙的认识将会更进一层。为什么会有重力，为什么电子有质量，为什么电子和质子的质量比是1：1864。人们将不再对这些问题毫无头绪。弦论就像它的字面意思一样，它的基本观点是，所有的基本粒子其实是一种物质在不同状态下的表现，这种基本物质是：弦。这是怎么意思呢？比如说电子，这种基本粒子是没有内部构造的一个点，一个点除了移动可以产生任何现象。如果从弦论来看，微观世界里的电子并不仅仅是一个点，而是一个微小的极细的闭合弦。弦可以以不同方式震荡，就像小提琴的弦在不同的振动下会发出不同音调的声音一样，弦的不同震荡会使其表现出各种形态的粒子。当它以一种形式震荡时，表现的是电子的形态，而如果以另一种形式震荡，则表现中子的形态，或是夸克，或是其他。弦论的先锋物理学家们还认为，弦的震荡可以产生力的作用，这就使力学与量子力学统一起来。那么宇宙弦呢？科学家们认为，宇宙弦是宇宙的遗迹，在宇宙大爆炸之初的极短瞬间形成，过程类似于“结晶”。在大爆炸的那一瞬间，宇宙空间本身变成由弦状物质组成的间断立体面。这样想象可以帮助你更好地理解，池塘的表面开始结冰，每一块冰都在不断膨胀、扩散，直到它们碰撞上其他冰块才停止，这些冰块的模样就像闭合的弦一样。宇宙弦的产生可以认为是宇宙大爆炸后宇宙空间的冷却。一些宇宙学家们认为空间也有自己的纹理，由弦或其他纹理构成，当宇宙中的物质冷却下来，就形成了星系。但我们并不能直接看见这些弦，它们距离我们有数十亿光年。我们仅仅可以通过对宇宙微波、射线、引力辐射的精密测量，寻找证据来证明它们存在。宇宙弦也是解释宇宙射线的最好理论。这些弦在整个宇宙中交织，比一粒原子更细，有巨大的密度（在巨大的压力之下）。这意味着它们将会对经过的任何东西产生相当大的引力，使在宇宙弦上的东西能以超速行进。因此，有人提出，将两根宇宙弦拉近到一起或将一根宇宙弦靠近黑洞，就可能将空间和时间压缩到足够的极限，从而产生封闭类时曲线，实现时间旅行。弦论不仅吸引了大量的物理学家，还使很多数学家也痴迷不已。它开拓了数学研究的新领域，使科学家们百思不得其解的关口豁然开朗。但是，宇宙弦的理论还远远只是冰山一角，一种理论必须通过实验才能得到最后的论证，要证实它，人们还有一段相当漫长的路要走。了解更多有关宇宙弦的理论，请继续阅读下节。

6. 宇宙弦到底是什么

十万个冷知识

7. 什么叫宇宙的弦理论？

1 简介 编辑本段
　　“宇宙弦”理论，也叫“宇宙鞭子理论”。是近代以及现代的一些科学家在关于宇宙的形成和发展的问题上，引进的假想量理论。就像“光线”一样，“宇宙弦”是不存在的。但为了更好地研究和阐释宇宙的各种情况，科学家们利用宇宙的规律，形象地引进了“宇宙弦”的概念。而“宇宙弦”理论，则就是根据这个假想量分析得到的宇宙的情况的理论。
实际上，关于“弦”的理论早就已经提出来了。近代的科学家如爱因斯坦，在阐述宇宙的物理关系事就隐约提到了弦结构。弦的模型的提出最早是在研究宇宙空间、时间问题上，而把“弦”独立作为一种事物的研究模型则是在更晚的现代。20世纪60年代到20世纪90年代，是弦理论大发展时期。专注于此方面的科学家有Leonard Susskind(李奥纳特·苏士侃)、爱德华·维顿和霍金，等等。而弦理论的进步也推动着宇宙弦理论的发展。目前，宇宙弦理论已经有了完整的体系，相关的还有“超弦理论”、“大一统理论”，等。
2 概述 编辑本段
　　弦理论是由Gabriele Veneziano在1968年提出来的一套理论。大爆炸理论和弦理论比起来显然更好理解，外加霍金所著的《时间简史》里以一种近乎通俗的讲解，我们对大爆炸还能有个全面性的了解，弦理论是被认为是未来统一场理论的集大成者，量子力学和相对论不可调和的现状一直没有被改善，但是弦理论也许能给出终极答案。
宇宙弦理论归属于弦理论，但是结合了爱因斯坦等众多科学家的宇宙理论的结晶，宇宙弦理论有着更为广阔的前景。关于宇宙的研究是现在科学的热门话题，而宇宙弦理论也是有望解决宇宙问题的有力的理论之一。详细的情况在纪录片《优雅的宇宙》里面有介绍。

8. 什么是超弦宇宙？

　　爱因斯坦在生命的最后30年里一直在寻找统一场论——一个能在单独的包罗万象的协和的数学框架下描写自然界所有力的理论。爱因斯坦这样做的动机不是我们常想的那些与科学研究紧密相关的东西，例如，为了解释这样或那样的已知现象或实验数据。实际上，驱使他的是一种关于自然界基本规律内在美的信念：对宇宙的最深刻认识将揭示它的最真实秘密，那就是，它所依赖的原理是简单而有力的。爱因斯坦渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘，由此而展示的自然界的动人美丽和优雅，将让每一个第一次知道的人产  
    生有生以来最强烈的敬畏、惊讶和震撼。 
    弦理论或者超弦理论是那些象量子和夸克等等已经溶入大众词典的诸多新科学专用词汇之一，但它们却很少能被人解释清楚。即使会议的参加者也会告诉你，超弦理论，象许多新兴科学和研究领域一样，涉及了许多高前沿的数学领域，并不是很容易能把握的。超弦理论到底是什么呢？简单说来，我们可以这样来定义超弦理论：(1)超弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论；(2)超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元，所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态；(3)超弦理论第一次将二十世纪的两大基础理论-广义相对论和量子力学-结合到一个数学上自冾的框架里；(4)超弦理论有可能解决一些长期困绕物理学家的世纪难题如黑洞的本质和宇宙的起源。(5)超弦理论的实验证实将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。 

　　首先，我们发现，弦理论描述自然界的活动还真有几分科学幻想的成份。举例来说、弦理论描述的世界并不是我们肉眼所看到的三维空间和一维时间。合理的解释是那些额外的空间维数没有被观测到是因为它们很小很小。要理解弦理论的高维属性并不困难。(参见《宇宙的琴弦》P. 180-181) 

　　在弦理论中就有许多这样极小的额外空间维数，因此，微观世界并不象我们普遍感觉到的世界那么简单。在宏观尺度上，弦理论也可能用来解释宇宙大爆炸的开始和黑洞内部的行为，而这些问题是以前的物理理论包括爱因斯坦的广义相对论都失效的地方。现在发展的弦理论是有关时间和空间的量子理论，因此理论看起来也就显得非常非常的奇怪。  

　　弦理论的一个基本观点就是自然界的基本单元不是象电子、光子、中微子和夸克等等这样的粒子，这些看起来象粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。因此弦理论从一些非常基本和简单的单元就能得到宇宙的无穷变化和复杂性。在弦理论中，人们自然地可以得到规范对称性、超对称性和引力，而这些原理在原有的标准模型中或者是强加进去的或者是与量子理论相冲突的，在弦理论中它们都协和地统一起来了，并且是彼此需要、独一无二的。