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宇宙的本質是什麼？

為了回答這個問題，人們想了各種模型來描述這個世界

我們測試這些模型

並知道了到哪些該保存下來，哪些該捨棄

但當我們知道了更多，模型就變得更加奇怪且複雜

有些甚至困難到，相當難以精確說明它

就像弦理論

一個著名的，充滿爭議的，並且常被誤解的理論

為何會有人想出這套理論，而它的描述是正確的嗎?

或只是一個不值得重視的想法?

♪~好聽的開場音樂~♪

為了知道自然的樣貌

我們近距離觀察各種事物，並且驚奇於其中深藏的奧妙

微小世界的奇妙景觀

一群群奇妙的生物

複雜的蛋白質機械

他們全由分子所構成

並且又由更小的原子所構成

我們曾經認為它們就是世界的基本單元

直到我們將它們強力相撞

並發現了完全不可再切割的物質

【基本粒子】

但現在有個問題

基本粒子太小，我們不能直接觀測到它

試想一下，什麼是觀測呢?

想要做觀測，我們需要光，也就是電磁波

這道波撞擊物體的表面，並反射至你的眼睛裡

光波攜帶著物體的資訊

讓你的大腦能建構影像

所以你不能在沒有某種交互作用的情況下做觀測

看到，便能有所了解，這是一個主動而非被動的過程

對大多數的物體來說這都不是問題

但基本粒子非常非常非常的小

它小到我們過去所能看到的電磁波根本碰不到

可見光只會穿過它們

我們可以藉由縮小電磁波波長來解決問題

但波長越小，意味著能量越大

所以，當我們用一道高能量的光去照射粒子

光會改變粒子的位置

為了觀測它，我們改變了它的性質

結論是，我們無法精確地量測基本粒子

這現象重要到被命名為

【海森堡測不準原理】

一切量子物理學的基礎

所以，粒子看起來是什麼樣子?

它的本質是怎樣?

我們其實並不知道

如果我們盡可能去觀測它

我們可以看到一團模糊的物體

但這不是粒子本身

我們只知道它們存在

這種情況下，我們要對它們怎麼做科學研究呢?

就像前人一樣

我們提出了新的數學模型

點粒子模型

我們決定假設，粒子在空間中只是一個點

任何電子都只是空間中有特定電荷量和特定質量的點

而且所有電子都無法被區分

這樣物理學家便可定義它們，並計算它們之間的交互作用

這套理論叫【量子場論】，並且解決了許多問題

粒子物理中的標準模型都是建立在這上面的

而粒子物理實驗的精確值也相當高

有些電子的量子性質被量測出來了

而精確值可以到0.0000000000002% (2*10^-13%)

所以，就算粒子並不真的是個點

這樣的假設讓我們可以相當精確地去描繪宇宙

這樣的想法不僅讓科學進步

它也帶給我們許多每天都在用的科技成就

但有一個重大的問題

【重力】

在量子力學裡，所有的力都由特定的粒子產生

但根據愛因斯坦的廣義相對論

重力並不像宇宙中其他作用力一樣

如果宇宙是場戲劇，粒子就是演員

而重力則是舞台

簡單來說，重力是種幾何學

時空間的幾何學

所以我們必須定義出絕對的距離

但在量子物理的世界中，我們無法明確量測事物

重力模型與量子物理模型彼此並不相容

當物理學家試圖增加新的粒子來描述重力時

他們的數學系統卻崩潰了

這是個相當重要的問題

如果我們可以結合重力與標準模型

我們可以得到一切的萬有理論

所以天才們開始想新的模型

他們問到:「比一個點更複雜的事物是什麼?」

一條線? 或是一條弦?

弦理論就這樣誕生了

弦理論之所以會如此精美

是因為其用了各異的震盪模式描述了基本粒子

就像小提琴不同的琴弦震動，能夠發出各異的樂音，

弦的各種震盪模式就能產生不同的粒子

最重要的是

弦理論也能描述重力

弦理論可以統合宇宙中所有的基本作用力

這造成了群情激奮與大肆炒作

弦理論很快的成為了可能解釋一切的理論

不幸的是，弦理論有許多特殊的限制

在我們這由三維空間與一維時間組成的宇宙中

弦理論不能保持數學上的一致性

弦理論需要以十維的世界來運作

所以，弦理論確實能在理論中的宇宙運作

而物理學家想要找出去除剩餘六維的數學模式來探究我們所處的宇宙

但直到現在，沒有能人成功達成這個任務

並且弦理論中的預測全部都尚未被實驗證實

所以，弦理論並沒有真正透露出宇宙的真實樣貌

所以有人指出

弦理論可能完全不實用

科學是由一連串的實驗和預測所組成

如果我們無法證明

那麼我們為何要費心於弦理論呢

它與我們如何去使用它息息相關

物理是建立於數學規則

2+2=4

這就是事實，不論你有什麼想法

而弦理論中的數學推導是可行的

這就是為什麼弦理論仍然是非常實用的

想像你打算造一艘巨大的郵輪

但你只有一張划槳小船的藍圖

它們顯然有諸多不同之處

引擎，材料，大小

但他們的原理基本上是一樣的

會飄浮在水上的東西

所以，透過研究划槳小船的藍圖

你最終可能還是可以學到怎麼去造一艘遊輪

有了弦理論

我們可以試著去解釋一些困擾物理學家數十年的量子重力論的難題

像是黑洞如何運行或是它的訊息悖論

弦理論可能可以成為指引我們方向的一盞明燈

有了這個想法

弦理論就變成了一個理論物理學家的珍貴工具

並且可以幫助他們去探索量子世界的新層面

以及一些美麗的數學理論

所以，雖然弦理論可能無法解釋一切事物

不過就如同點粒子模型一般，

弦理論可以是一個非常實用的理論

我們還不知道現實世界的真實樣貌到底是如何

不過我們會繼續想出更多理論來試著探究

直到將來的某天

希望我們能真正了解其中的奧妙

這部影片由瑞士國家科學基金會所贊助

並且由Alessandro Sfondrini提供科學上的諮詢