超弦理论和近代物理学简介

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1、超弦理论和近代物理学简介2011-04-1011:29

2、(分类:高次元思想)　　这是前段时间本人校内BBS物理版上某人发的一篇文章。之所以转载这篇，一是因为作者用通俗易懂的语言描述了近代物理学的发展历程及核心思想，更容易被非专业人士理解；二是因为我们可以从这篇文章看到现阶段人类物理学的终点在哪里，距离实相还有多远。一、近代物理学发展过程18、19世纪：牛顿运动定律　　麦克斯韦电磁学　　　　　　　｜　　　＼　　／　　　｜　　　　　　　｜　　　　＼／　　　　↓　（融合）　　　　　　　｜　　（光速冲突）　波动理论—┬—粒

3、子理论　　　　　　　↓　　　　↓　　　　　　　　｜20世纪初期：经典力学　狭义相对论　　　　　　↓　　　　　（低速运动）（高速运动）　　　波粒二象性　　　　　　　　　　＼／　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　（引力冲突）　　　　　（能量困境）　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　↓20世纪中期：　　　广义相对论　　　　　　量子力学　　　　　　　　（宏观世界）　　　　　（微观世界）　　　　　　　　　　｜　　（水火不容）　｜　　　　　　　　　　└—————┬————┘　　　　　　　　　　　　　　　　↓20世纪80

4、年代：　　　　　　　　超弦理论　　　　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　　　　　　（衍化）　　　　　　　　　　　　　　　　↓20世纪末21世纪初：　　　　　　　M理论　　　　　　　　　　　　　　　　↓未来：　　　　　　　　　　　　　？？？二、近代物理学简介1.光速冲突与狭义相对论　　牛顿运动定律认为，一个物体只要以光速运动就会发现光是静止的；而麦克斯韦电磁学认为，任何物体的运动都不可能达到或超过光速。于是引发了爱因斯坦的狭义相对论，彻底改变了人们对时空的认识。　　狭义相对论的几个核心思想：　　第一，空间

5、和时间都是相对的——相对性原理；　　第二，光的速度永远是30万千米每秒——光速不变原理；　　第三，质量和能量可以转化——质能方程。　　关于第一点，空间和时间是一个整体，空间能够影响时间，时间也能够影响空间。例如：运动的物体长度会缩短，时间也会变慢。另外，任何物体都可以认为自己是静止的，而其他参照物在动——也就是说，运动的观测者和静止的观测者都可以认为是对方的时间变慢，即没有“绝对”，只有“相对”。　　关于第二点，传统运动定律认为，如果你沿着光的方向运动光与你的相对速度就会减小，而如果你朝向光运动光与你的相对速度就会

6、增加并且超过光速。而狭义相对论认为，无论你向哪个方向运动，光与你之间的速度都是30万千米每秒，永远不变。　　关于第三点，爱因斯坦认为质量与能量可以相互转化，其间满足E=mc^2的关系。一个物体运动越快，质量也越大，当接近光速的时候质量会接近无穷大，需要无穷大的能量推动，因此任何物体的运动速度都不可能比光快。2.引力冲突与广义相对论　　牛顿万有引力定律认为，一个物体与另一个物体之间的引力仅取决于质量和距离，而与时间无关——即引力现象是瞬间发生的。而狭义相对论则认为任何速度都不可能超过光速，由此引出了广义相对论。　　广

7、义相对论的引力思想：　　第一，引力等效于加速度；　　第二，引力形成的原因是空间扭曲。　　爱因斯坦认为引力并不神秘，加速运动就会形成引力，按相反的方向加速度就能平衡引力。引力形成的根本原因在于空间扭曲：任何有质量的物体都会使周围的空间扭曲，质量越大扭曲也越大，而物体总是沿着阻力最小的方向运动，因此便会形成加速度。想象一个平滑的薄膜，中间放一个大球，球体会在薄膜中间压出一个凹陷；再在周围放置一些小球，小球则会沿着凹陷滚向大球——这就是引力的本质。同样，加速运动也会导致空间和时间的弯曲。　　当没有物质存在时空间是平滑的，

8、但只要有物质存在就会形成各种各样的扭曲并产生引力，爱因斯坦证明了空间扭曲是以一定速度传播的，这个速度就是光速。3.黑洞和大爆炸　　爱因斯坦的广义相对论发表不久，一位科学家就从数学上证明了，只要星体质量集中在一个足够小的区域，质量除以半径超过某个临界值，时空就会发生强烈扭曲并形成黑洞。另一些科学家也从广义相对论推断并证明了，宇宙正在膨胀中，宇宙起源于一次大爆炸。这是广义相对论的两个主要贡献。4.从波粒二象性到量子力学　　随着宏观世界研究的深入，微观世界的波动理论和粒子理论也在发展着。对于光波究竟是波动还是粒子争论了很

9、多年，双缝干涉实验证明了光是一种波，而光电效应实验则证明了光是一种粒子，从而产生了光的波粒二象性原理。最后由德布罗意提出物质波理论，认为所有的物质都是波，当物体的动量乘以波长小于普朗克常量的时候就会表现出波动特性。　　量子理论起源于普朗克的猜想，目的是为了解决无限能量困境。想象一个普通的火炉，按照传统波动和热力学理论计算，这个火炉的能量是无穷大的，这显然不可