超弦理论傻瓜流行语言

超弦理论，用通俗的话来说，将宇宙表示为一系列振动的能量--弦。它们是自然的基础。该假设还描述了其他元素 - 膜。我们世界上的所有物质都是由弦和膜的振动组成的。该理论的一个自然结果是对引力的描述。这就是为什么科学家们认为它是统一引力与其他力的关键。

概念演变

统一场论，超弦理论，纯数学。像所有物理概念一样，它基于可以以某种方式解释的方程式。

今天没有人确切知道这个理论的最终版本会是什么。科学家们对其一般元素有一个相当模糊的概念，但目前还没有人提出一个涵盖所有超弦理论的确定方程，并且在实验上还无法证实它（尽管也无法反驳它）.物理学家已经创建了方程的简化版本，但到目前为止它并不能完全描述我们的宇宙。

初学者超弦理论

假设基于五个关键思想。

超弦理论预测，我们世界上的所有物体都是由振动的细丝和能量膜组成的。
她试图将广义相对论（引力）与量子物理学结合起来。
超弦理论将统一宇宙的所有基本力量
这个假设预测了两种根本不同类型的粒子（玻色子和费米子）之间的新联系，超对称性。
这个概念描述了许多额外的，通常是不可观测的宇宙维度。

绳子和膜

当理论在1970年代出现时，其中的能量线被认为是一维物体--弦。 “一维”一词的意思是字符串只有一维，即长度，不像例如正方形，它既有长度又有高度。

理论把这些超弦分为两种--封闭的和开放的。开弦的末端不相互接触，而闭弦是没有开口末端的环。结果发现这些字符串，称为第一类字符串，主要有5种交互方式。

交互基于字符串连接和分离两端的能力。由于开弦的末端可以结合形成闭弦，因此不可能构建不包括环弦的超弦理论。

事实证明这很重要，因为物理学家认为闭合弦具有可以描述引力的特性。换句话说，科学家意识到超弦理论，而不是解释物质粒子，可以描述它们的行为和引力。

多年后才发现，除了弦之外，其他的元素都是理论所必需的。它们可以被认为是薄片或膜。字符串可以连接到一侧或两侧。

量子引力

现代物理学有两个主要的科学定律：广义相对论（GR）和量子。它们代表了完全不同的科学领域。量子物理学研究最小的自然粒子，而 GR 通常在行星、星系和整个宇宙的尺度上描述自然。试图统一它们的假设被称为量子引力理论。今天最有前途的是字符串。

封闭线程对应重力的行为。特别是，它们具有引力子的特性，一种在物体之间携带引力的粒子。

合力

弦理论试图将四种力--电磁力、强核力和弱核力以及引力--合二为一。在我们的世界中，它们表现为四种不同的现象，但弦理论家认为，在早期宇宙中，当有非常高的能量水平时，所有这些力都是由弦相互作用来描述的。

超对称

宇宙中的所有粒子都可以分为两种：玻色子和费米子。弦理论预测它们之间存在一种关系，称为超对称。在超对称中，每个玻色子都必须有一个费米子，每个费米子都必须有一个玻色子。遗憾的是，这种粒子的存在还没有得到实验证实。

超对称是物理方程元素之间的数学关系。它是在物理学的另一个领域发现的，它的应用导致了 1970 年代中期超对称弦理论（或通俗的说法是超弦理论）的重新命名。

超对称的好处之一是它通过消除一些变量来极大地简化方程。没有超对称，方程会导致无穷值和虚能级等物理矛盾。

因为科学家们还没有观测到超对称预言的粒子，所以还是一个假设。许多物理学家认为，其原因是需要大量能量，这与著名的爱因斯坦方程 E=mc² 的质量有关。这些粒子可能存在于早期宇宙中，但随着宇宙大爆炸后冷却和能量扩散，这些粒子移动到低能级。

也就是说，作为高能粒子振动的弦失去了能量，变成了较低的振动元素。

科学家希望天文观测或粒子加速器实验能够通过揭示一些具有更高超对称性的超对称元素来证实这一理论。能量.

额外测量

弦理论的另一个数学结果是，它在超过三个维度的世界中是有意义的。目前对此有两种解释：

额外的维度（其中六个）已经坍塌，或者，用弦理论的术语来说，被压缩到令人难以置信的小尺寸，永远不会被感知。
我们被困在3D膜中，其他维度超出了它，我们无法进入。

理论家的一个重要研究方向是这些额外坐标如何与我们的坐标相关的数学模型。最新结果预测，科学家们很快就能在接下来的实验中检测到这些额外维度（如果它们存在的话），因为它们可能比之前预期的要大。

了解目的

科学家在探索超弦时所追求的目标是“万物理论”，即从根本上描述整个物理现实的单一物理假设。如果成功，它可以澄清许多关于我们宇宙结构的问题。

物质和质量的解释

现代研究的主要任务之一是寻找真实粒子的解决方案。

弦理论最初是一个描述粒子（例如处于弦的各种更高振动状态的强子）的概念。在大多数现代公式中，我们观察到的物质宇宙，是能量最低的弦和膜振动的结果。更高的振动会产生目前在我们的世界中不存在的高能粒子。

这些基本粒子的质量体现了弦和膜是如何包裹在紧缩的额外维度中的。例如，在将它们折叠成甜甜圈形状的简化情况下，被数学家和物理学家称为圆环，一根绳子可以用两种方式包裹这个形状：

环环中间的短循环；
环绕整个环面外圆周的长环。

短循环是轻粒子，大循环是重粒子。围绕环形压缩尺寸缠绕字符串会产生具有不同质量的新元素。

超弦理论简洁明了，简洁优雅地解释了长度到质量的过渡。这里的折叠尺寸比环面复杂得多，但原则上它们的工作方式相同。

甚至有可能，虽然很难想象，弦同时在两个方向上缠绕在圆环上，从而产生具有不同质量的不同粒子。膜还可以包裹额外的维度，创造更多的可能性。

确定空间和时间

在许多版本的超弦理论中，维度崩溃，使得它们在当前的技术发展水平上无法观察到。

目前尚不清楚弦理论能否解释空间和时间的基本性质比爱因斯坦做的还要多。其中，度量是字符串交互的背景，没有独立的实际意义。

已经提供了关于时空表示为所有字符串交互总和的导数的解释，但尚未完全展开。

这种方法不符合一些物理学家的想法，导致对假设的批评。圈量子引力的竞争理论以空间和时间的量子化为出发点。有些人认为它最终会成为相同基本假设的不同方法。

重力量化

这个假说的主要成果，如果得到证实，将是量子引力理论。目前广义相对论中对引力的描述与量子物理学不一致。后者通过对小粒子的行为施加限制，在极小范围内探索宇宙时会导致矛盾。

统一力量

目前，物理学家知道四种基本力：引力、电磁、弱核和强核相互作用。从弦论可知，它们都曾是一个的表现。

根据这个假设，由于早期宇宙在大爆炸后冷却，这种单一的相互作用开始分裂成今天活跃的不同的相互作用。

高能实验总有一天会让我们发现这些力量的统一性，虽然这样的实验远远超出了目前的科技发展。

五种选择

1984年超弦革命后，发展如火如荼。结果，不是一个概念，而是五个类型，分别命名为 I、IIA、IIB、HO、HE，每一个都几乎完全描述了我们的世界，但并不完全。

物理学家对弦理论的版本进行分类，希望找到一个普遍的真实公式，创造了5个不同的自给自足的版本。它们的一些属性反映了世界的物理现实，另一些则不符合现实。

M-理论

在 1995 年的一次会议上，物理学家 Edward Witten 针对五个假设的问题提出了一个大胆的解决方案。基于新发现的对偶性，它们都成为了一个总体概念的特例，称为 Witten 的超弦 M 理论。它的关键概念之一是膜（膜的缩写），具有超过一维的基本对象。虽然作者没有提供完整的版本，目前还没有，但超弦的 M 理论简要地包含以下特征：