在目前标准粒子模型中,物质的最基本单元是夸克,然后加上各种玻色子以及轻子,共同构成了我们常见的物质,以及他们相互之间的作用力。但是这中间唯独不包含引力,可能有些人会觉得,整套粒子理论少考虑一个引力,那怎么能够正常处理那些量子问题呢?其实引力与其他三种基本力比起来是相当弱的。生活中就有简单的例子,把一个塑料梳子在衣服上蹭一蹭,然后就可以把碎纸屑吸起来,轻松盖过了地球这么大质量的物体产生的引力,可见引力是有多弱。所以在基本粒子实验中,是完全可以忽略引力影响的。
其实这四种基本力的强弱排序是:强力>电磁力>弱力>引力。弱力的名字虽然叫弱力,它是相对强力来说的,事实上引力比它弱得多。只有研究宇宙学问题时,才需要考虑引力问题。虽然处理量子问题时,往往不用考虑引力,但是作为“大统一理论”,这显然是不完美的。说明这套理论,并不能适用于所有场景,例如“奇点”这种既大又小的场景。同时,这套理论还无法解释,那个因为引力而引出的暗物质到底是什么。
暗物质是由完全未知的基本粒子构成,它不属于标准模型中的任何一种。它他类似的,有由于宇宙膨胀引出的暗能量,也是无法用现在的标准模型来解释的。刚才说的都是标准粒子模型表象上的问题,其实它的底层最根本的问题是:这种“点粒子”在理论计算的时候,经常会遇到无穷大问题。任何理论物理只要一碰到无穷大,物理学家就开始脑壳疼,因为它在现实中解释不通啊。
例如,可以把电子看作点粒子,但是当把电子看成一个点的时候,电子到其自身的距离就是零,根据“库仑反比定律”,引起电磁场变化的电子感受到的场强就变成了无穷大,这样电磁场的能量也就变成了无穷大。根据质能方程,这部分的能量转换成的质量也是无穷大;然后加上电子本身的质量后,电子的总质量就成了无穷大。这显然是不可能的。
解决这个问题有两种方式,第一种就是认为电子的大小不为零,但是电子的大小是个飘忽不定的东西,电子的半径只有测量值,但是你测量的结果,并不是他真正的大小。当然还有其他一些问题,总之就是这个方式不好用。
然后人们想到了第二种方式,根据“电子的总质量=电场能量+电子固有质量”,那如果想办法把电子的固有质量看做负数,是不是就能抵消掉的部分质量,从而让电子总质量趋于一个合理值。这个方法听起来是不是有点掩耳盗铃的感觉,但这个思路却是理论物理中非常有用的方法,它叫“重整化”。比如那个著名的等式,1+2+3+……=-1/12,这就是一个把无穷大重整化为一个有限数的非常有用的工具。弦理论的二十五维空间和超弦理论的9维空间,都是利用这个公式计算出来的。
回到刚才电子质量的问题,重整化确实能够在一定程度上解决问题。但它实际是把当前这层无穷大的问题推迟到了更加微观的层次上。这个问题本身,并没有得到彻底的解决。那最终能推迟到什么程度呢?当需要同时考虑量子力学和广义相对论的时候,就会出现重整化,也无法处理的微观世界的终点。这块儿稍微比较抽象了。说白了就是这条路。虽然现在能走通,但是最终还是个死胡同。所以说,这两种方法都不行!那就需要弦理论登场了,这个离经叛道的诡异理论。
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