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我想使问题更加复杂一点。弦不仅缠绕紧致空间,同时还在摆动,而且这种摆动会沿着弦传播,就像一条蛇那样。
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将一根弦缠绕在一个紧致维上并使其摆动是需要能量的,所以由这些弦描述的粒子,要比通常的粒子重。
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作用力
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我们的宇宙不仅有空间、时间和粒子,还有作用力。作用在带电粒子上的电磁力,可以移动小片的纸和灰尘(回想一下静电力),但更重要的是,这些力使原子中的电子保持在它围绕原子核的轨道上面。作用在地球和太阳之间的引力,使地球在它的轨道上运动。
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所有作用力根本上都是起源于单个粒子间的微观作用力。但是这些粒子间的作用力是从哪儿来的呢?对于牛顿而言,普适的质量间的引力是自然界的一个客观事实——一个他可以描述但无法解释的事实。在19世纪和20世纪,物理学家们,如迈克尔·法拉第、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、阿尔伯特·爱因斯坦和理查德·费曼,以他们深刻的洞察力用一些更为简单的基本概念来解释什么是作用力。
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根据法拉第和麦克斯韦的理论,电荷并不是被直接地互相推拉;空间中电荷间有一种中间媒介在传递力。想象一个被两个相隔很远的球拉伸的“机灵鬼”[186]——那些玩具软簧。
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每一个球都只是在与机灵鬼相邻的那个部分作用上力。然后机灵鬼的每一个部分会把力作用到与它相邻的部分。这个力就这样顺着机灵鬼被传递下去直到与它拽动另一端的物体。看起来两个物体在互相推拽着,但这是一个由机灵鬼的软簧作为媒介而产生的假象。
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当问题变成带电粒子时,中间媒介就是充满空间的电场和磁场。虽然看不见,但这些场却是真实的:它们是些光滑的、看不见的空间扰动传递着电荷之间的力。
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爱因斯坦在他的引力理论中,甚至走得更远。有质量物体弯曲了其邻近时空的几何,并且通过这样的方式,它们扭曲了其他物体的轨迹。这种几何的弯曲也可以被认为是一种场。
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人们可能会认为这个问题已经结束了,直到理查德·费曼带着他关于作用力的量子理论出现,该理论乍看起来似乎与法拉第、麦克斯韦、爱因斯坦的场论完全不同。他的理论从带电粒子可以发射(抛)和吸收(接)光子这个概念开始。对于这个想法并没有什么争议,人们很早就知道当一个电子打在X射线管中的障碍物上时就会发射X射线。在那片光量子论文中,爱因斯坦首先描述了这种吸收的逆过程。
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费曼把带电粒子描述成光子的杂耍者,不停地抛、接光子,也在其周围的空间制造大量的光子。一个静止的电子是一个完美的杂耍演员,不会掉一次棒。但是就像一个在火车车厢里的杂耍演员那样,突然的加速可能会失落东西。电荷可能会被拽离它原来的位置,因而在一个错误的位置吸收光子。这个遗漏的光子飞出去成了辐射光。
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回到火车上,那个杂耍演员的拍档上了车,然后他们两个打算一起做一些团队协作的抛接杂耍。每一个杂耍演员接到了自己投出去的东西,但是当他们离地越来越近时,每个人时不时地会接到另一个人抛出去的球。同样的事情也发生在两个离得很近的电荷间。围绕在电荷周围的光子云混在了一起,而且一个电荷可能会吸收另一个电子所发射的光子。这个过程被称为光子交换。
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光子交换的结果就是,电荷彼此施加作用力。只有通过精妙的量子力学才能知道力是吸引的还是排斥的。结果就是一句话,当费曼做了那些计算时,他发现了与法拉第和麦克斯韦所预言的一样的东西:同性相斥,异性相吸。
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比较电子和杂耍演员的抛接是很有意思的。杂耍者每秒钟抛接的次数约为几次,但是一个电子每秒钟大约能发射和吸收1019次。
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根据费曼的理论,不止是电荷,所有物质都在抛接。每种物质都发射和吸收引力子,引力场的量子。地球和太阳被引力子云所包围,这些引力子混合并且交换。结果就是引力使得地球保持在自己的轨道上运动。
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单个电子多久会发射一个引力子呢?答案出人意料:并不是很经常。一般来说需要比整个宇宙年龄更长的时间来使电子辐射一个引力子。这就是为什么根据费曼的理论,基本粒子间的引力强度比电磁力小得多。
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所以哪个理论是正确的:法拉第、麦克斯韦、爱因斯坦场论还是费曼的粒子抛接理论?它们彼此听起来是那么不同。
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但是它们都是正确的。关键就是在第4章中解释过的波和粒子之间的量子互补性原理。波是一个场的概念:光波无非就是有一个快速波动的电磁场。但是光又是粒子,即光子。所以费曼关于力的粒子图像和麦克斯韦的场图像是量子互补性原理的另一个例子。由抛接粒子云所制造的量子场被称为一种凝聚。
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一个关于弦的笑话
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给你讲一个最近在弦论学家间很流行的笑话。
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