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本字幕由腾讯音乐天琴实验室独家AI字幕技术生成
欢迎收听科学有故事
比科学故事更重要的重要
更重要的是科学精神
为了把所有的物理规律统一到一个理论中
物理学家们又发明了一种理论
这就是超弦理论像夸克轻子这类最小的基本粒子并不是我们过去以为的一个点粒子
而是一根弦
一缕振动着的能量
我们能够感受到的是三个宏观空间维度
再加一个时间维度
另外七个空间维度则蜷缩在微观的贤宗
这根弦是如此之小小到足以被我们看作是一个点
说实话我和你一样也搞不懂我自己正在说的这些东西
我也只能啊是囫囵吞枣
记住这些名词而已
但我可以明确的一点是
有些人他们会给你煞有介事的介绍怎么用超弦理论来解释各种神奇的超自然现象
甚至用来解释时空
穿越神佛鬼怪灵魂巫术等等
但我敢肯定这些人比我对超弦理论懂得还要少
他们更加一知半解
更加不可信
那么下面呢
我给你简单介绍一下超弦理论的发展简史
我们从何而来
要去向何方
一个星球一个实验
请听我为您讲述有关宇宙自然生命简史
物理学界流传着这样一句话
弦理论啊
是21 世纪的理论
偶然若到了20 世纪被好运气的物理学家们给捡到了
这话怎么讲呢
1968 年有一个叫做维尼齐亚诺的意大利年轻物理学家
他就职于大名鼎鼎的欧洲核子研究中心
大多数物理学家那都是数学家
这个维尼齐亚诺也不例外
他对数学有着相当的兴趣
有一天啊
他闲来无事开始把玩200多年前大数学家欧拉发明的一个欧拉
贝塔函数
这个维尼齐亚诺他玩着玩着
突然发现眼前这些数字啊
怎么越看越熟悉啊
物理学有时候啊
就会出现这种惊奇和意外
维尼齐亚诺手中的这些数字让他突然就联想到了全世界各地汇集过来的粒子对撞中产生的大量的原子碎片的各种数据
他们似乎啊有着极其惊人的关联
冥冥之中似乎200多年前的欧拉获得了上帝的启示写下了这个欧拉陪他函数历经200多年的时空穿越维尼齐亚诺偶然发现了这个函数的惊人秘密
历经200多年的时空穿越到了维尼齐亚诺这里
他偶然发现了这个函数的惊人秘密
但问题是啊
这个函数虽然很管用
但是没有人能知道这个函数到底代表着什么样的物理意义
这就好像啊
有一个小孩儿会背九九乘法表可以轻松的帮奶奶算出菜价
但是啊这个小孩却完全不知道这个像歌谣一样的九九乘法表到底是怎么来的表示什么意义
维尼齐亚诺面临的尴尬就跟这个小孩儿是一样的
要把一团乱麻给李成一根线最关键
也是最难的就是要找到线头
现在啊
揭示微观世界秘密的线头似乎被找到了就是这个欧拉贝塔函数两年之后
芝加哥大学
斯坦福大学玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现
如果用小小的一围着震动的弦来模拟基本粒子的话
那么他们之间的合作用力就能精确地用欧拉呗的函数来描写这根弦非常非常小小到我们在现有的所有实验条件下它表现出来的呢
都仍然是像一个点
那实在是太小了
然而弦理论的这条路啊
非常的坎坷
似乎一堆刚刚冒出一点火星的柴堆还没有窜出第一个小火苗就被当头浇了一盆冷水写理论最初的几个预言都被实验数据
无情的推翻了全世界的物理学家们在一片唏嘘中都不情愿的把弦理论给扔进了废纸篓只有三个人
他们没有放弃就是谢尔克格林和斯瓦兹他们三个人呢
觉得写理论所展现出来的数学之美啊
实在是太令人印象深刻了
哪怕在实验数据上有瑕疵
他们也不愿意放弃他们愿意去修正理论
而不是扔到垃圾桶
经过十多年的努力
终于在一片里程碑式的文章中他们解决了矛盾
并且向世人宣告写理论有能力成为万物理论
这篇文章在物理学界
那是一石激起千层浪
许许多多的物理学家们都放下了手头的工作
激动地阅读着格林和斯瓦兹的文章
读吧
很多人都马上停掉了手里的研究项目
转而呢
一头奔向这个终极理论的战场
那是啊
有什么事情能够比得上去探求统一全宇宙的理论更令人激动的呢
这就是1984 年到1986 年
在物理界中的第一次超弦**
那为什么在弦理论前面又增加了一个超字呢
格林和斯瓦茨认为
每一个基本粒子啊
必须要有一个超对称的伙伴电子有一个超伙伴叫做超电子光子的超伙伴叫做光微子等等
这个弦理论和超伙伴的假想一结合立即就发挥出了巨大的威力
这就好像啊是脱去了普通的西装露出了内裤外穿的超人本尊一样从此呢
弦理论就升级为了超弦理论超弦理论认为任何基本粒子都不是一个点
而是一根闭合的弦
当他们以不同的方式震动的时候就分别对应于自然界中的不同粒子
我们这个宇宙是一个十维的宇宙
但是啊
有六个维度
紧紧的蜷缩了起来
这就像远远的看一根吸管
他系的呢
就像一条一维的线
但是当我们凑近一看啊
发现啊
其实它是一根三维的管其中的两维呢卷起来了
而超前理论中那六个维度的空间收缩得如此之紧啊
以至于呢
你必须要放大一亿多背啊
这个是一后面有34 个零那么多倍
才能够发现
其实所有的例子都不是一个点
而是一个六维的橡皮筋圈不停的在空间中震动演奏着曼妙的音乐
那么就是通过引入额外的维度超弦理论终于让物理学家将量子定律和引力定律打成了相对简洁的一个包
但也仅仅是相对简洁一点而已
如果你听到一个物理学家唠叨这些东西
那种感觉啊
差不多就像是你在某个公园中散步
刚在一条长凳上坐下旁边的陌生人就开始对你喋喋不休的唠叨一些你完全听不懂的东西
搞得你啊
只能是惴惴不安地默默走开
我在这里啊
有一个例子就是那位比较出名的物理学家兼科普作家日裔美籍的加来道雄
他是这样用抄写理论来描述宇宙的构造的
杂弦由一种闭合的弦构成有两种形式的振动顺时针和逆时针这两种形式完全不同
顺时针振动存在于十维空间中耳逆时针振动则存在于26 维空间中
但其中的16个维度被压实了
我们知道在卡鲁扎原先的五维理论中
第五维就被压成了一个圆圈
它就像这样洋洋洒洒的写了350亿
但我能完全看明白的页数啊
实在是不多从第一次超弦**爆发到现在已经过去了20 多年物理学界又有了很多很多的进展
例如啊
从超弦理论中又派生出了M 理论
现在啊
正是大热门这个理论呢
把十维的宇宙又扩展了意为变成了1 1 维的宇宙就是十个空间为加上一个时间为
而且还引入了另一个更加有趣的概念
那就是膜塑料薄膜的那个膜
但是到了这个份上
如果要继续往下讲解的话
我觉得已经完全超出了科普的范畴
如果要强行科普的话啊
估计达到的效果
也就是像纽约时报上的一段文字
他试图用尽可能简单的方式向普通人解释什么是M 理论啊
就像下面这样在那遥远遥远的过去宇宙的燃烧过程
以一对又平又空的膜开始
他们互相平行的处于一个卷曲的五维空间里两张膜构成了第五维的B 很可能他们是在更遥远的过去
作为一个量子涨落而产生于无然后又飘散了
我估计啊
没有人会与之争论
因为没有人能看懂
现代物理学中的许多概念已经达到了这样的一种程度
用戴维斯在自然杂志中写的话来说呢
就是这样
不是科学家就不可能区分出某种说法是一种合理的古怪还是一种彻底的疯言疯语
到了2002年的秋天
有一对法国的双胞胎物理学家博格丹诺夫兄弟在他们的脑子中呢
又冒出了一个更为有意思的想法
他俩因此提出了一个很大胆的有关超密度条件下的理论里面有一些概念
比如假想时间
库博施**马丁条件
据说啊描述了大爆炸之前的宇宙
这在过去一直被认为是永无可知的
因为它发生在所有的物理定律诞生之前
波格丹诺夫的理论啊
几乎是立即在物理学家中引起了争论
那他到底是一派胡言还是一项天才的成就呢
或者呢
是一场伪科学的骗局呢
哥伦比亚大学的物理学家沃伊特接受纽约时报的采访的时候是这么说的
从科学上来看啊
很明显是一派胡言
不过说实话
他和最近我看到的许多别的文献也没有多大区别
而另一位被温伯格称之为科学哲学家中的泰斗的波普尔他的观点是啊
在物理学中不存在什么终极理论
因为每一种理论解释
都需要更进一步的解释
于是呢就会生出一条永无穷尽的基本原理练
但是霍金和温伯格这样的著名物理学家呢
似乎又并不同意波普尔的观点
他们认为啊终极物理理论是存在的
霍金觉得人类就快找到了而温伯格觉得呢
他还在非常遥远的地方
但我几乎可以肯定的是在这个领域
我们一定还会看到更多的非凡的古怪的见解
但几乎啊可以再次肯定的是这些见解会远超你我的理解能力
正当20世纪中叶的物理学家们困惑不解的看着微观世界所发生的一切的时候
天文学家们也没有好到哪儿去
好
我们先上个小广告
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天文学家们发现自己对宏观宇宙的认识也是很不完整的
还记得我前面提到的哈佛吗
他发现啊
几乎所有可见的星系都在远离我们而去
并且呢退行速度与离我们的距离是成正比的
也就是说啊星系距离我们越远
那么退行的速度就越快
哈勃认为这个关系可以用一个很简单的公式来描述
这个公式就是后等于V 除以的
VIA 就表示
心系飞离我们的退行速度er d 呢
就表示心系与我们之间的距离
这个湖就是著名的哈勃常数儿整个关系式呢
就被称之为哈勃定律下面呢
让我来解释一下哈勃常数的用途
除了在日常交谈之中
天文学家们啊
一般不使用光年
这个单位
他们更常使用的距离单位呢
叫做秒差距
这个单位啊来源于用恒星的周年视差法做天文测距
一秒差距约等于3.26 光年
这实在是一个非常遥远的距离
但宇宙啊
那又是更大更大
以至于常常要用百万秒差距来说
事情哈勃常数表示的就是每百万秒差距速度为多少千米每秒
因此呢
当一个天文学家说哈勃常数是50 的时候完整的意思啊
其实就是每百万秒差距是五十千米每秒
也就是说啊
如果一个星系距离我们100万秒差距的话
它的退行速度就是五十千米每秒用公式表示的话
那就是V 除以D 等于五十千米每秒
所以呢
哈勃常数一旦确定了
只要测出心细的距离就能代入公式算出退行的速度
而反过来
如果测出了退行的速度
那就能算出距离哈勃定律
还有一个附加的用途就是用来计算宇宙的年龄
根据哈勃常数的定义可知它的导数就是宇宙的年龄单位是万亿年哈佛自己测出来的哈勃常数呢
是500也就是说啊
宇宙的年龄是21年
这个结果啊
有点尴尬
因为即使在上世纪20 年代末
也有越来越多的证据表明
宇宙中有许多东西的年龄都比这个数字要大
甚至很可能包括我们自己生活的这个星球
于是呢
修正这个数字成了宇宙学家们一直以来冥思苦想的问题
关于哈勃常数啊
唯一常年不变的事情就是对这个常数本身的值的巨大争议
1956年
天文学家们发现造父变星比过去以为的还要多遍
他们有两种不同的类型
而不是仅有一种这一发现让天文学家们重新计算了宇宙的年龄最新的结果是宇宙大约在70亿到200亿年之间
虽然这个结果还不是太精确
但是总算啊
至少已经古老到把地球的形成过程给包含了进去
在这之后呢有关宇宙的年龄问题爆发了一场旷日持久的大争论
争论的一方是从哈佛手里接棒的威尔逊山天文台的桑德奇
另一方则是德州大学的法及天文学家沃酷了桑德奇经过数年的精心计算
他得出的哈勃常数值就是50
他给出的宇宙年龄啊
是大约210年
而沃库了
则确信哈勃常数的值是100这就意味着宇宙的年龄
只有桑德奇认为的一半
也就是100亿年
到了1994年这个情况呢
就变得更为复杂了
加州卡内基天文台的一个研究小组根据哈勃太空望远镜获得的观测数据
计算出的宇宙年龄呢
仅为区区的80亿年
这个数字啊
连他们自己都认为甚至还不如宇宙中某些恒星的年龄
古老时间呢
走到了2003 年
美国的马里兰戈达德太空飞行中心和NASA 共同组成的一个研究小组利用一颗叫威尔金森微波各向异性探测器的最新卫星所获得的数据信心十足地宣布了宇宙的年龄是137 亿年误差仅为一千万年上下后来呢
欧空局的普朗克卫星又上天了这台卫星每两年会公布一次最新的观测数据
这被认为是目前有关宇宙年龄问题的最佳答案
目前能查到的最新数据
2015 年发布的数据表明
宇宙的年龄是138 亿年误差呢
大约是几百万年上下
但对于我们普通人来说
你不管说137 还是138
其实啊都没有什么太大的区别
总之呢关于宇宙年龄的争论
看上去已经划上了句号
不过可以肯定的是
对于宇宙
我们依然有太多的不明白
甚至是在基本的层面上
即宇宙是由什么东西构成的
当科学家们计算需要多少物质才能产生足够的引力让星系旋转的时候
他们发现了物质的总量严重的短缺
这表明我们的宇宙至少有超过90%的成分是指危机所称的暗物质也就是那种对我们不可见的物质
我们生活的这个宇宙竟然绝大部分物质
我们连看也看不见这个想法让人觉得科学家们的脸皮有一点厚
但我们呢
确实就是生活在这样的一个宇宙中
但是暗物质到底是什么呢
目前来看
至少有两个主要的嫌疑犯引起了科学家们的兴趣
其中一个叫him p 极弱相互作用大质量粒子
这也就是科学家们猜测是宇宙大爆炸之后残留在宇宙中的不可见的威力这个呢
也可以叫做案例子
另一个呢
叫做Mac Co
也就是大质量高致密晕天体的简写
他是科学家们猜测的黑洞中矮星以及其他暗弱恒星的统称
我们也可以把他们叫做暗天体
当然
令我毫不感到意外的是粒子物理学家是更倾向于按例子假说而天文学家则更喜欢按天体假说一开始呢
是按天体假说占了上风
但是呢
他们也没有观测到足够多的这类天体
于是阿风向又转到了按例子
可惜问题依然是至今我们也找不到这类例子
因为这类例子几乎不与我们已知的任何物质发生相互作用
它们极难被检测到
如果想对暗物质有进一步的了解的话
我推荐你去听一下我的星空的琴弦
这个系列中的暗物质那一集和环球科学有故事系列中的原初黑洞是暗物质吗
这一集
后者对暗物质研究的最新进展
有一些介绍
在发现暗物质之后我们又发现新戏不但在远离我们而去
而且呢是在加速远离我们这个现象大大的出乎所有人的预料
这显示出我们的宇宙不仅仅充满了暗物质还充满了暗能量
科学家们有时称之为真空能或者呢
第五元素
但不管怎么叫吧
他就是那些正在驱使宇宙加速膨胀的能量
没有人能够弄清楚到底这是怎么回事儿
有种理论认为太空其实啊并不是真的空无一物的物质和反物质粒子瞬间产生又瞬间湮灭所产生的能量推动着宇宙加速扩张
令人意想不到的是
当初爱因斯坦在广义相对论中
为了阻止宇宙膨胀
而凭空创造
然后呢
又删去的宇宙学常数又复活了
现在看来啊方程式中必须要引入这样一个常数才能符合宇宙目前的加速膨胀的状态
那么关于暗能量我也不展开讲了
想了解的话呢
可以听我星空的琴弦系列节目中的暗能量那一期最后让我来总结一下这两期节目
我想告诉你的事情
有关宇宙中最小的物质
也就是基本粒子和宇宙中最宏大的物质
例如星系
人们对于他们的了解已经取得了令人惊讶的认识
但是我们真的不知道还有多少未知的东西等着我们去探索
或许啊已经不多了
或许呢
还仅仅只是冰山一角
我们真的不知道
但最令我感到神奇的是研究最微小的基本粒子与研究最宏大的宇宙穴
这两条看似不同的道路似乎呢已经越来越近了
很快啊
就要合二为一了
这不得不令我感到万分的神奇好了
那么关于物理和天文呢
我们就讲到这里
接下去啊
我们就该来谈谈我们的地球母亲了
这就是本期的宇宙自然生命简史
我们下期再见
我是刘敬政
我是王琴
我是无名
我是王
我是徐东
我是卓老板我们是科学生命
可能你已经知道了
也可能你还不知道有一部表现科学声音的全景纪录片
我和科学声音的故事终于上线了
如果你还没有看过的话呢
你可以马上到科学有故事的微信公号中回复关键词纪录片三个字啊
就可以看到了
当然你也可以到腾讯视频
优酷土豆上去搜索花点时间也能够找得到
如果是我的老听众的话
你应该记得从去年年底的时候我就开始说要做这个纪录片了
然后呢
就一直在招募志愿者一直在积累素材
为了这个30 分钟的片子啊
我们拍了500多G 100多小时的素材
我们有一位志愿者摄影师啊最严跑到了内蒙的阿拉善去拍一位小听众
然后啊
还跟着他从内蒙又坐火车来到北京参加我们的科学声音715 的演讲会
这个片子啊
基本上是我亲自剪辑的我在做这个片子之前啊
完全不懂剪辑
然后呢
我就装了一个PR
然后在网上啊
就看了一份入门的教程就开始边学边剪了
好在啊
随时都能找到高手来问啊
这些高手呢
也都是我们科学声音的听众
我记得我是从七月底开始在央视少儿频道的编导周导的指导下开始剪辑的一有空就减一有空就剪经常一弄啊
就是一个通宵
就这样断断续续的减了两个多月才总算捡完
然后呢
就是请传媒大学的张黎老师给念了旁白
请五月同学给做了音效
请顺序同学给做了最后的色彩调教
然后还请顺道同学给做了片头和片尾的特效
我还要特别感谢一下央视发现之旅频道的陈导
它不但给这个片子拍了很多的素材
还教了我很多制作纪录片的技巧
还有好多给我帮助的同学
我在这里就不一一感谢了
总之啊这个小骗子确实凝聚了很多很多志愿者的心血
如果没有看过的话呢
我希望你一定要去看一下啊
可不容易了
那么我接下来呢
还有一个更大的拍片计划
我想把时间的形状拍成科普纪录片
那么在我现在的志愿者团队中呢
目前最缺的是制作影视三维特效的高手
如果您是这方面的高手
而且呢也有兴趣和我一起来折腾这个片子的话呢
欢迎加谭老师的微信40 00 0959 与我们取得联系
好
我们今天就讲到这里
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我们下期再见
嗯嗯
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宇宙自然生命简史：超弦理论和宇宙年龄其它版本下载