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一弦定音

发布时间: 2022-03-05 08:32:26 浏览:

1984年秋天,久负盛名的《物理学快报》上发表了一篇有关弦构想的文章,接着便以排山倒海之势掀起了第一波弦革命,全世界数以千计的物理学家们争先恐后地放弃了他们手中正在研究的项目,去追逐爱因斯坦毕生的梦想——宇宙统一理论。这是一个全新的领域,充满生机和希望。

30年后的今天来看得失,究竟弦理论是揭示了宇宙的深层定律,还是如一些批评家们所言,不过是吸引了整整一代物理学家的数学理论上的海市蜃楼呢?

尽管宇宙统一理论已成为爱因斯坦的代名词,但是几个世纪以来该理论一直是现代物理学的研究核心。艾萨克·牛顿通过对石头滚动轨迹和轮子旋转轨迹的描述,揭示了不仅地球及其他行星在遵循万有引力定律围绕太阳公转,而且月球也是遵循同样的定律围绕地球转动。200年后,麦克斯韦延续了这一理论,他用同一数字形式描述了电场和磁场是同种力的两种表现。

然后就是爱因斯坦的相对论。爱因斯坦先于1905年提出狭义相对论,他认为时间和空间并不是相互独立的,运动的物体在时间上的变化会相应的导致其尺度上的改变,这是狭义相对论的特点。十年之后,在此基础上,爱因斯坦提出了广义相对论。广义相对论对掌握一切恒星和星系运动的万有引力作了极为精辟的阐述。有了这样的成就,爱因斯坦对自然万物之间必有统一之力的设想似乎指日可待。

1930年,尼尔斯·玻尔和一代勇敢的物理学家们对物质深层的微观世界进行探索,发现了令人迷惑不解的量子力学,一个从根本上全新的物理概念和数学规则。量子力学的发现让现代物理学完全进入了全新的领域。尽管量子力学对原子和亚原子粒子形态的预测十分成功,但是,却完全无法与爱因斯坦对万有引力的陈述相融洽。广义相对论用于宏观大世界,如恒星,星系,以及宇宙本身的膨胀,并且提供了有效的解释框架;而量子力学却应用于微观小世界,分子,原子,以及比原子更小的粒子,如电子和夸克,同样也是精确有效。这两个理论工具,却是完全冲突的。物理学家们试图将这二者融为一体,从而寻找到一个包罗万象的宇宙定律。半个世纪以来,他们埋头苦干,却屡战屡败,让他们沮丧之极。

直到1984年12月,出现了一个转机,美国加州理工大学的约翰·施瓦茨教授和当时还在玛丽·皇后学院的迈克尔·格林教授发表了一篇论文,提出弦理论可以克服广义相对论和量子力学之间在数学上的对立,因此,可以扫清通往建立宇宙统一理论的障碍。弦统一理论听起来很诱人,基本原理也简单。自20世纪初以来,物理学界对组成自然界物体的不可分割粒子(最小粒子)已有基本模式。物质的基本组成就是我们熟悉的电子、夸子和中微子,它们就好像是内部空空如也的无限小的点。弦理论提出了一个大胆的设想:每个粒子中心都是一条细小的像弦一样不停振动的丝。根据这一理论,弦的振动模式不同会导致质量的大小差异,电荷的正负,更不可思议的还有自旋和核性能的不同,而这些差异就是之所以构成物质的不同的基本粒子的原因。

古希腊的哲人毕达哥拉斯认为宇宙是由音符和旋律构成的乐章。弦理论正是以优美的数学模型回应了这一猜想。正如大提琴每根弦会弹奏不同的音符一样,根据弦理论,细小弦丝的振动模式不同,形成的粒子也不同。一个世纪以来,科学家已经发现了一系列的粒子,它们就像不同的音符一样,构成了大自然的和谐乐章。

量子力学假定有一种粒子会把重力从一处传递到另一处,叫作“重力子”。令人惊喜的是,借助于数学运算,科学家发现其中一些“音符”的特征与假想粒子“重力子”的特征完全吻合。这一发现引起了整个物理学界的关注。物理学家首次验证了万有引力和量子力学遵从同一游戏规则,至少在理论上是这样的。

大家争先恐后地挤进这个似乎前景无限的新领域,在拥挤的会议室和走廊上,到处都在讨论被称为可能是“终极理论”或“宇宙统一论”的弦理论话题,都在期待着弦理论登上王座的那一天。

开普勒设想的毕达哥拉斯式的宇宙模型

随着科学家们关注的深入,越来越多的人开始质疑最简单也是最重要的问题:弦理论是正确的吗?数学能否诠释我们的宇宙?是不是对每个粒子做检测,如果你发现了细小振动的弦,就算大功告成了?不单单是理论上会提出这样的问题,弦理论的先驱者们其实已经意识到在现实中检测弦理论的正确与否是行不通的。弦理论对弦的尺度定义非常的小,要检测到它,就是用世界上最强大的粒子加速器运行一分钟所产生的能量也不够,更不要说还需要一个如银河系般大的对撞机。如果弦是真实存在的,他们也不会乖乖地等着你来探测的。更糟的是研究人员还面临着一个巨大而又令人费解的数学上的难题。我们每天生活在三维空间里,可以上下左右前后任意行进。但弦理论定律要求有更多的维度。这一问题将研究人员逼到绝路:是接纳有超过三维的多维空间这种完全违背我们认知的假设,还是放弃弦理论?

20世纪早期,理论物理学家们的一个想法给弦理论带来了灵感。当时学者们提出了两类空间维度:一种是大而平展的,就像我们本身生活于其中的空间一样,另一种是小而紧裹的,小到我们用最精密的仪器也无法观察到。就好像一个展开的巨大地毯,你一眼看见的是平整的地毯,但蹲下仔细观看才能看见那纵横交错的编织纹路。宇宙存在一个人们可以随意走动的三维空间,但也可能还有其他维度空间,它们小到以我们目前的技术还无法看见。1985年新年后的一天,物理学家四人组:菲利普·坎德拉斯、加里·霍洛维茨、安德鲁斯·劳明格和爱德华·威廉提交了一篇待发表的文章,将多维空间的设想往前推进了一步,他们断定这些维度是非常小的。这很自然解释了我们为什么一直看不见它们,同时也提供了实验验证它们的线索。

宇宙可能存在以目前的技术还难以发现的其他维度空间。

因为弦太小,所以当它们波动时不仅在大的三维空间波动,同时也在很小的其他维度波动。就像吹圆号,空气的振动模式不同,发出声音就不同,而振动模式是由弯来扭去的乐器的形状而定的。弦的振动模式也将由它所在的那一维度形状决定。由于这些振动模式决定着粒子的属性,如质量、电荷正负等等,而这些属性是可以通过实验检测到的。因此,四位物理学家相信,如果你知道那一维度精确的几何形状,你就可以预估粒子的属性,其结果也可以通过特定实验观测到。

对英国牛津大学的博士研究生布莱恩·鲍林来说,求解论文上的方程式就像在灵感的边缘进行一次难得的数学之旅。找到多维度空间的几何形态就是拿到了隐藏大自然基本构成密码的罗塞塔石碑(罗塞塔石碑是埃及象形文字的解码石)。1980年代中期,鲍林和他的研究小组开始着手收集弦理论的不同预测。幸运的是,物理学家四人组已按照弦理论的数学推论划定了多维空间几何形态的范畴——只有屈指可数的几种。他们从看起来可能性最大的一种形态着手,带着揭示大自然最深层奥秘的伟大想法,开始了夜以继日的大量的高维几何的艰苦计算。

最后得出的结果与粒子物理学上已确定的粒子的多种特性相洽。尽管这离完全证明弦理论还相差很远,但取得这样的成绩说明他们多年的辛苦是值得的。接下来,他们及其他研究小组又回到划定的几何形态范畴,想要开始对其他可能性进行研究。但是几年下来,这个范畴已经扩大,可能的几何形态的数目已是成千上万。到1990年中期,乔·普琴斯基率先指出几何形态的数目将会达到无法计数的地步。面对如此尴尬的局面,选择什么样的几何形态,弦理论已经无法给出建议。维度空间几何形态的不同,弦的振动模式就不同,想要从弦理论假设的几何形态中抽取特别个案来作研究的梦想很快破灭!

从公众角度看,从事弦理论的理论物理学家们对这样的局面毫无准备。就像一个保证能拿8块金牌的奥林匹克运动员最后却只拿到5块金牌一样,弦理论物理学家过高地预定了目标。弦理论证明了量子力学和广义相对论的统一性,其意义深远。因为粒子和力在各自的定律下运作,能实验证明其相互关系,其成功远远超过理论上的关联性。但是进一步解释粒子和力的属性必然是一个更为远大的目标,而不是成功与失败仅隔一线之差那么简单。虽然,曾经对弦理论异军突起,占据了理论物理主导地位而怒目相向的批评家们为弦理论的沉沦欢呼雀跃,他们利用这个机会,质疑研究人员的诚实,责备他们毫无根据的断言并没能达到早先预期效果。当刺耳的声音日益高涨之时,弦理论的鼻祖之一,美国斯坦福大学的理论物理学家伦纳德·萨斯坎德却强有力的扭转了这个趋势。

2003年8月,在瑞典锡格蒂纳的一个会议上,萨斯坎德说:但我确实认为这就是弦理论想要告诉我们的。(意思是多维的几何形体就本该是无以计数)如果数学无法给多维空间确定一个特定的几何形体,那么也许多维空间的几何形态就不是单一的。假设我们有多个宇宙,在此意义上,每一个宇宙的多维空间的几何形态都不同,那么所有的几何形态都可能是正确的。

这样说来我们的宇宙就只是浩瀚宇宙群体中小小的一员,每一个宇宙的特性都由它们三维空间的几何形态而定。那么,为什么我们在这个宇宙中而不是在任何其他的一个宇宙中?那么因为未知维度空间的形态导致的一系列物理特性让我们得以生存。举例而言,另一个宇宙维度空间几何形态产生的电子可能会重一点或者核力量会弱一点,这样微小的变化会足以终止量子的各种进程,从而使太阳和恒星无从获得动力,影响地球生命的形成。

尽管这一想法很偏激,却得到了宇宙平行发展论的支持。宇宙平行发展论认为宇宙大爆炸不是独特事件,它只是无数大爆炸事件的一个。而每一个大爆炸就导致一个宇宙的膨胀,这就是多元宇宙。萨斯坎德认为弦理论充满了浩瀚的无数宇宙世界中,它用形态各异的几何形态来装扮每一个宇宙内不同的维度。

有无弦理论,多元宇宙都是当之无愧的一个极具争议的模式。它不仅重铸现实的景观,还改变了科学的杠杆。曾经被视为深刻且令人百思不得其解的问题:比如为什么大自然给予的数据,从粒子质量到力的强弱,再到太空中的能量都有着特殊的意义?这些曾经令人费解的问题现在已经众所周知。但是过去那些已知的事物属性不再具有普遍性,而是要由它在宇宙某处所处的维度的特定的形态而决定。大多数物理学家,也包括弦理论家,同意多元宇宙是一种不得已的选择。然而科学史也说服我们不要仅仅因为实验结果与我们的期望相悖就轻易放弃我们的想法。否则,我们最成功的量子力学就该早就被扔进垃圾堆了(量子力学描述了我们的现实世界就是无数的可能性)。正如诺贝尔经济学奖得主史蒂芬·温伯格说:宇宙不会关心理论物理学家是高兴还是不高兴。

而今,大型强子对撞机经过近两年的改进,重新开始工作。质子撞击的力量会比先前增强两倍。研究人员会使用有史以来世界上最强的探测器,在撞击粒子后寻找证据,寻找那些不能与现有“物理标准粒子模型”相符合的粒子。获得诺贝尔奖的物理学家彼得·希格斯半个世纪前断言的玻色子就是这样在大型强子对撞机被送去改进之前找到的。虽然要证明弦的存在,改组后的对撞机仍然太弱,但却可以为证明弦理论提供一些线索。

基于弦理论高度有序的数学公式推算,出现一类被称为“超对称”的粒子。许多研究员就寄希望于找到这样的“超对称”粒子。撞击产生的其他信息可能会引发一些额外维度的线索,甚至发现微型黑洞(一种源于弦理论的在微型范畴内存在的黑洞)的一些证据也不是不可能。

所有这些预测还是不能成为弦理论存在证据。但这些预测却被应用于其他一系列的理论中。我们积极一点就是要向希格斯玻色子看齐(即发展弦理论以期获得诺贝尔奖),谦虚一点说就是在物理学界产生影响,让天秤偏向弦理论。

根据目前所发生的一切事件来看,很有可能即使是大型强子对撞机也寻不到弦的任何踪迹。

实验是证明对错的最后仲裁者,弦理论还无法在试验中作任何检测。但是理论的价值却不能如此评估,还要看它对相关领域的影响力。弦理论几十年的理论分析填满了几千篇论文,这对整个跨物理和数学领域的研究产生了巨大的影响。拿黑洞为例,斯蒂芬·霍金在20世纪70年代发现了黑洞内部的无序现象,而弦理论论证了它可以鉴别黑洞内的无序粒子,从而解决这一令人头痛的难题。

尽管始终还无法将弦理论与实验相结合,但弦理论的影响仍不减当年。尽管其主要成就还停留在统一量子物理与广义相对论上,但它的诱惑力却更深了一步。物理学家们几百年来细心研究出的最优秀的理论,在弦理论宏伟的数学架构中得到了论证。很难相信这样的共识只是一种偶然巧合。

如果爱因斯坦能看到弦理论研究所走过的路,他的脸上会露出会心的笑容。他会一边欣赏着弦理论卓越的几何特征,一边对通往统一理论漫长而曲折的道路上艰难跋涉的同仁们感佩不已。无一例外的,科学的强大之处就在于它能进行自我矫正,尽管也有可能几十年过去之后,仍旧一无所获。科学家相信:弦理论会逐渐被数学和其他科学领域容纳,然后慢慢展现出它独特的魅力。这期间,需要巨大的耐心和大量细致的研究。等到实验能证明弦理论的那一天终于来到,后人回顾我们的时代,他们看到的就是一个变革的时代,是科学家们坚忍不拔地孕育出卓越的充满挑战性的科学理论的时代,是对我们身处其中的现实世界的理解迈出了最关键的几步的时代。

尽管备受争议,弦理论仍然是我们寻找统一宇宙理论的最大希望所在

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