String theory - Brian Greene

TED-Ed

9 Aug 201319:10

Summary

TLDR这个视频讲述了德国数学家卡卢扎在1919年提出的大胆假设，即我们的宇宙可能存在超过三个维度的空间。这一理论对20世纪的物理学产生了重大影响，并继续影响着前沿研究。视频还探讨了爱因斯坦如何通过广义相对论解释重力，并尝试寻找一个统一理论来描述自然界的所有力量。卡卢扎和克莱因的理论认为，额外的维度可能是微小且卷曲的，以至于我们无法观察到它们。弦理论的兴起为这一理论提供了新的支持，并且可能在未来几年内通过大型强子对撞机的实验得到验证。

Takeaways

🌌 1919年，德国数学家卡卢扎提出了一个大胆的想法，即我们的宇宙可能存在超过三个维度的空间。
🔍 爱因斯坦在1907年提出了广义相对论，解释了引力是由空间本身的弯曲造成的。
🌐 卡卢扎的额外维度理论在1926年由奥斯卡·克莱因进一步发展，提出了微小的卷曲维度可能存在。
🎻 超弦理论是一种尝试统一所有物理定律的新方法，它认为宇宙中的基本构成是由振动的弦组成。
📈 弦理论的数学模型只有在存在十个空间维度和一个时间维度的宇宙中才有效。
🔬 额外的维度可能对于解释宇宙中约20个基本常数的特定值具有关键作用。
🌀 额外维度的复杂几何结构可能影响弦的振动模式，从而决定了宇宙中粒子的性质。
💥 在CERN的大型强子对撞机上进行的实验可能在接下来的几年内直接测试额外维度的存在。
🔋 如果在高能碰撞后测量到的能量少于碰撞前的能量，这可能是额外维度存在的证据。
🌟 这些理论的发展和实验验证是人类对宇宙理解的一次重大飞跃，可能会揭示宇宙更深层次的秘密。
🚀 从牛顿的绝对空间到爱因斯坦的弯曲空间，再到超弦理论的多维宇宙，我们对宇宙的认识正不断深化。

Q & A

Theodor Kaluza 提出了一个关于宇宙维度的什么大胆假设？
-Theodor Kaluza 提出了我们的宇宙可能不仅仅包含我们所知的三个维度，而是存在额外的空间维度，这些维度由于某种原因我们目前还看不到。
爱因斯坦是如何描述引力的？
-爱因斯坦描述引力是通过空间本身作为传输介质。他提出，如果没有物质存在，空间是平坦的。但是，当有物质存在时，比如太阳，它会导致空间结构发生弯曲，从而传递引力。
卡尔·施瓦西是如何尝试将电磁力与爱因斯坦的引力理论联系起来的？
-卡尔·施瓦西尝试用类似描述引力的方式，即通过空间的弯曲和扭曲来描述电磁力。他想象如果存在第四个空间维度，那么电磁力就可以在这个额外的维度中以弯曲和扭曲的形式存在。
奥斯卡·克莱因是如何解释额外维度的不可见性的？
-奥斯卡·克莱因提出维度可能有两种类型：大到容易看到的维度和小到卷曲起来的维度。卷曲起来的维度可能非常小，即使它们就在我们周围，我们也看不见它们。
超弦理论是如何复活了关于额外维度的概念的？
-超弦理论是一种尝试回答世界基本构成要素的问题的理论。它提出所有物质和自然力都可以归结为振动的弦。当研究超弦理论的数学时，发现它只在存在十个空间维度和一个时间维度的宇宙中才有效，这复活了卡尔扎和克莱因关于额外维度的概念。
额外维度可能对理解宇宙的基本参数有什么帮助？
-许多科学家相信额外维度可能掌握着解释宇宙基本参数的钥匙。这些参数包括粒子的质量、重力的强度、电磁力的强度等，它们精确地决定了宇宙的结构和存在。
大型强子对撞机（LHC）如何帮助我们测试额外维度的存在？
-大型强子对撞机通过高能粒子碰撞实验，尝试将粒子从我们的维度推向额外维度。如果在碰撞后测量到的能量比碰撞前少，这将是额外维度存在的迹象。
为什么说额外维度的发现对我们理解宇宙至关重要？
-如果额外维度的发现得到证实，这将是对我们理解宇宙的一个重大突破。它不仅会验证超弦理论，还可能解释宇宙的基本参数为何具有当前的值，这些参数决定了宇宙的结构和我们的存在。
卡尔·施瓦西的额外维度理论最初遇到了哪些问题？
-卡尔·施瓦西的额外维度理论最初在细节上并不完全符合实际物理现象，例如，它无法正确解释电子的质量。这些问题导致这一理论在20世纪中叶被搁置。
超弦理论中额外维度的几何结构是什么样的？
-超弦理论中的额外维度具有非常丰富的、交织在一起的几何结构。这些维度以复杂的方式卷曲并相互缠绕，形成了一个微观层面上的复杂景观。
弦理论是如何统一物质粒子和力的粒子的？
-弦理论提出所有物质粒子和力的粒子都是由振动的弦构成的。不同的振动模式产生不同的粒子，这些粒子负责构成我们周围的世界，从而实现了物质和自然力的统一。
未来几年内，科学家们如何可能验证额外维度的存在？
-科学家们计划在未来几年内通过大型强子对撞机（LHC）进行高能粒子碰撞实验，通过观察碰撞后能量的变化来验证额外维度的存在。如果实验结果显示能量减少，这将是额外维度存在的第一个直接证据。