现代物理学科普讲座 笔记3

狭义相对论

1971，两飞机反向飞，原子钟有时间误差

1864 麦克斯韦 完整电磁理论

可以预测光速不变

以太风测定实验：以太不存在

飞船发光，飞船上的人同时抵达左右，外面的人会看到不一样

因此：同一事件在不同观测者眼里为不同事件

方向不同、表面弯曲：透视原理

有质量的物体会弯曲时空

斜着运动：空间轴不平行，和角度有关

双胞胎问题：飞船上的人的路径更长

地球有质量，不同高度的物体时间不一样

广义相对论

为什么时空弯曲？

1. 任何物理之前都有引力

2. 牛顿理论：引力由质量决定

3. 实际：引力不是真正的力

   例子：

   • 卫星落地面，不在中心
   • 水星绕太阳轨道的偏差

考虑我在真空箱子，手电筒照，然后加速，光落在下面，我在箱子里认为光线弯曲，而箱子外没看到弯曲

两个人都是对的

因此引力可以等效成加速度

箱子立的人，光子的路径变长，又光速不变，所以箱内时间变长，变慢。

质量越大，等效加速度越大，光经过的路径越长，时间越慢。

也可以看出地球把时空弯曲了。

引力相对论：有质量物理会弯曲时空，但其实是加速度导致运动的变化

超弦理论

前身：弦理论（解决量子力学和相对论不相容的原因）

按粒子自旋划分：

1. 费米子
2. 玻色子

标准模型不是终极理论

猜测引力由自己的传播介质，那也一定是某种粒子

弱力和电磁力统一：杨振宁

后来强力也可以了

量子力学预想：找到引力的传播子

但广义相对论认为是造成时空弯曲造成的

尝试纳入引力子，会得到无穷大的结果，因此无法用量子力学描述引力

新的理论：弦理论

认为基本粒子在更微观的角度

弦，可以振动、闭合

不同振动的波成不同的粒子

那样子也可以解释波粒二象性

量子力学解释：随机发射光子并吸收，能量变化时轨道变化

弦理论：粒子由弦构成。弦可以振动、复制自己（发射光子）、相互组合（吸收光子），变成空间几何形状。

同时弦是连续的，因此纳入引力子就融洽了

更多问题：

1. 所有弦的振动都像玻色子，而无法生成费米子
2. 会产生快子，$m=\sqrt{-1}$，同时会超光速
3. 只能适用26维

引入新理论：微调振动（超弦理论）

此时变成了十个维度，但还是多了六个

如果真的是十维度，那就是9+1

牵强解释：剩余六个观察不到

弦理论的窘迫

弦理论

标准模型：基本粒子只是明粒子，没有暗物质，也无法解释引力

最早为了解释强力，但最后用量子色动力学解释

普朗克长度：$1.6\times 10^{-35}$

基本粒子尺度 $10^{-28}\sim 10^{-17}$

所以可以猜测中间还有过度粒子

引力子：

• 质量为0：因为光子
• 自旋为2：力只能有吸引作用

弦论：使用高维维度

解决标量玻色子，又要引入新的维度

超弦理论：加入超对称性

认为玻色子和费米子存在更深的统一性

又有五个版本

m理论是11个维度，其他是10个维度

每一个问题解决不了，就要引入高维度

因此弦理论只是数学伎俩，没有实验，没有可证伪性