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通俗科普弦理论和M理论,我们的宇宙是十一维度的?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-16

弦理论讲述的是什么?如果你在大街上随便采访一个人,十有八九都不了解。

即便有了解的,基本上也只是听说过而已,很难比较深入地了解弦理论到底是一个什么样的理论。

对于普通人来讲,弦理论太深奥了。

喜欢科幻电影和小说的伙伴们,应该在电影小说里看过关于弦理论的相关故事情节,但一般这种情节都比较烧脑,不太容易理解,特别是弦理论还需要借助一些数学工具才能更准确地描述出来。


弦理论是我们认识世界的一种方式,主要是关于“宇宙万物到底由什么组成的?”。

以前人们认为最小的结构单元是原子,后来发现了更小的电子,质子,质子下面还有夸克。

但是还有没有比夸克更小的结构单元呢?

目前的科学理论(粒子标准模型)认为,电子,夸克等粒子都是基本粒子,它们是不能再分的。

不过弦理论认为,宇宙万物都是由最基本的弦组成的,弦在不停地振动,就像一根振动的橡皮筋那样,弦理论可以诠释很多种物理学现象。


在物理学上,电子夸克等基本粒子是没有结构的,在数学上可以看作是一个点。

但如果是这样,问题就来了:同样的一个点,为什么可以表现为不同的基本粒子?有时候表现出来夸克,有时候表现出来电子或其他基本粒子?

为什么简单的一个点可以表现出如此丰富的物理信息呢?

为了诠释这种问题,在20世纪70年代,一种前沿的理论,弦理论诞生了。

根据该理论的诠释,组成宇宙万物的基本单元并不是像夸克电子这样的基本粒子,而是像弦一样不断振动的东西,一维的东西。

弦不同的振动模式(比如说振动频率)就会表现出不同的粒子。

弦理论刚提出了,就引起了很大的轰动,引起了很多理论物理学家的极大兴趣。


振动的弦,也分为两种形式,一种是开放的弦,称为“开弦”,就像线段一样,有两个端点。

另一种是闭合的弦,就像圆圈一样。

弦理论认为,传播引力的引力子就是由闭合的弦组成的。

弦理论的诞生具有一定的偶然性和必然性,下面简单说说弦理论诞生的背景。

在弦理论诞生之前(实际上至今仍是如此),科学家们一直渴望找到一个物理学界大统一理论,能够完全描述自然界四种基本作用力(强力,弱力,电磁力,引力)。


通过不断地努力,前三种力,强力弱力和电磁力终于能够统一了,但唯独引力被排除在外,科学家们一直没有找到引力子,目前关于引力子的概念都是一种假设,科学家们并没有在大型粒子对撞机中发现引力子的存在。

于是科学家脑洞大开,提出了弦理论(当然过程就不是如此简单,这里只是简单描述),最先提出弦理论的是物理学家韦内齐亚诺。

随着弦理论的发展,出现了不同模式的弦理论,有多达五种弦理论。

但我们都知道,描述大自然的理论应该是唯一的,不可能有两个不同的理论去描述大自然运行规律。

到了上世纪八九十年代,一个科学家站了出来,它就是爱德华威滕,创建了史无前例的M理论,统一了之前的物种弦理论。


这里的M道理是什么意思呢?有人说是Magic(谜),有人说是Master,其实这些都不对。

M并没有什么非常特殊的物理学含义,它只是威腾的首字母W反过来写而已。

最开始的弦理论必须是严格的九维度空间加上一维时间,这样它才是自洽的,否则就不成立。

而M理论则不然,它认为宇宙是十一维度的,十一维度理论是超引力理论,该理论中存在一个非常特殊的解,而这个解的根本并不是一维度的弦,而是二维的膜,就像一张纸那样,一张纸(膜)卷曲到非常微小的程度,就变成了一维的弦。

所以,M理论的提出开启了弦理论的二次革命,认为弦也可能不是自然界最基本的单元,而膜才是最根本的单元。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报