二次超弦革命

二次超弦革命

弦理論是在研究巨觀微觀世界基本力的統一特別是對量子理論的解釋逐步深入過程中提出的一個科學假設。歷史上產生了不少量子引力理論,但都不如近來得超弦(Superstring)理論大紅大紫,聲名遠揚,時髦無比,倘若誰不知道它簡直就不好意思出來混。關於量子理論的來龍去脈不多說了,樓主有興趣的話建議您看看英國學者斯賓利的《尋找薛丁格的貓》,我在這裡用極其淺顯的話敘述一下關於超弦理論的來龍去脈,不要嫌囉嗦喔。

基本介紹

  • 中文名:第二次超弦革命
  • 外文名:the second superstring revolution
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理論歷史

在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中,物理學家一開始採用的是較為溫和的辦法。他們試圖採用老的戰術,也就是在征討強、弱作用力和電磁力時用過的那些行之有效的手段,把它同樣用在引力的身上。在相對論里,引力被描述為由於時空彎曲而造成的幾何效應,而正如我們所看到的,量子場論把基本的力看成是交換粒子的作用,比如電磁力是交換光子,強相互作用力是交換膠子……等等。那么,引力莫非也是交換某種粒子的結果?在還沒見到這個粒子之前,人們已經為它取好了名字,就叫“引力子”(graviton)。根據預測,它應該是一種自旋為2,沒有質量的玻色子(玻色子是自旋為整數的粒子,如光子。而費米子的自旋則為半整數,如電子。粗略地說,費米子是構成“物質”的粒子,而玻色子則是承載“作用力”的粒子)。。
可是,要是把所謂引力子和光子等一視同仁地處理,人們馬上就發現他們注定要遭到失敗。在量子場論內部,無論我們如何耍弄小聰明,也沒法叫引力子乖乖地聽話:計算結果必定導致無窮的發散項,無窮大!我們還記得,在量子場論創建的早期,物理學家是怎樣地被這個無窮大的幽靈所折磨的,情況甚至更糟:就算運用重正化方法,我們也沒法把它從理論中趕跑。在這場戰爭中我們初戰告負,一切溫和的統一之路都被切斷,量子論和廣義相對論互相怒目而視,作了最後的割席決裂,我們終於認識到,它們是互不相容的,沒法叫它們正常地結合在一起!物理學的前途頓時又籠罩在一片陰影之中,相對論的支持者固然不忿氣,擁護量子論的人們也有些躊躇不前:要是橫下心強攻的話,結局說不定比當年的愛因斯坦更慘,但要是戰略退卻,物理學豈不是從此陷入分裂而不可自拔?

理論希望

新希望出現在1968年,但卻是由一個極為偶然的線索開始的:它本來根本和引力毫無關係。那一年,CERN(歐洲核子物理研究所,相信讀過丹·布朗《天使與魔鬼》的朋友都不會陌生)的義大利物理學家維尼基亞諾(Gabriel Veneziano)隨手翻閱一本數學書,在上面找到了一個叫做“歐拉β函式”的東西。維尼基亞諾順手把它運用到所謂“雷吉軌跡”(Regge trajectory)的問題上面,作了一些計算,結果驚訝地發現,這個歐拉早於1771年就出於純數學原因而研究過的函式,它竟然能夠很好地描述核子中許多強相對作用力的效應!
維尼基亞諾沒有預見到後來發生的變故,他也並不知道他打開的是怎樣一扇大門,事實上,他很有可能無意中做了一件使我們超越了時代的事情。威頓(Edward Witten)後來常常說,超弦本來是屬於21世紀的科學,我們得以在20世紀就發明並研究它,其實是歷史上非常幸運的偶然。

理論模型

維尼基亞諾模型不久後被3個人幾乎同時注意到,他們是芝加哥大學的南部陽一郎,耶希華大學(Yeshiva Univ)的薩斯金(Leonard Susskind)和玻爾研究所的尼爾森(Holger Nielsen)。三人分別證明了,這個模型在描述粒子的時候,它等效於描述一根一維的“弦”!這可是非常稀奇的結果,在量子場論中,任何基本粒子向來被看成一個沒有長度也沒有寬度的小點,怎么會變成了一根弦呢?
雖然這個結果出人意料,但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然與當時正在那裡訪問的法國物理學家謝爾克(Joel Scherk)合作,研究了這個理論的一些性質。他們把這種弦當作束縛夸克的紐帶,也就是說,夸克是綁在弦的兩端的,這使得它們永遠也不能單獨從核中被分割出來。這聽上去不錯,但是他們計算到最後發現了一些古怪的東西。比如說,理論要求一個自旋為2的零質量粒子,但這個粒子卻在核子家譜中找不到位置(你可以想像一下,如果某位化學家找到了一種無法安插進周期表里的元素,他將會如何抓狂?)。還有,理論還預言了一種比光速還要快的粒子,也即所謂的“快子”(tachyon)。大家可能會首先想到這違反相對論,但嚴格地說,在相對論中快子可以存在,只要它的速度永遠不降到光速以下!真正的麻煩在於,如果這種快子被引入量子場論,那么真空就不再是場的最低能量態了,也就是說,連真空也會變得不穩定,它必將衰變成別的東西!這顯然是胡說八道。
更令人無法理解的是,如果弦論想要自圓其說,它就必須要求我們的時空是26維的!平常的時空我們都容易理解:它有3維空間,外加1維時間,那多出來的22維又是乾什麼的?這種引入多維空間的理論以前也曾經出現過,如果大家還記得玻爾在哥本哈根的助手克萊恩(Oskar Klein),也許會想起他曾經把“第五維”的思想引入薛丁格方程。克萊恩從量子的角度出發,而在他之前,愛因斯坦的忠實追隨者,德國數學家卡魯扎(Theodor Kaluza)從相對論的角度也作出了同樣的嘗試。後來人們把這種理論統稱為卡魯扎-克萊恩理論(Kaluza-Klein Theory,或KK理論)。但這些理論最終都胎死腹中。的確很難想像,如何才能讓大眾相信,我們其實生活在一個超過4維的空間中呢?
最後,量子色動力學(QCD)的興起使得弦論失去了最後一點吸引力。正如我們在前面所述,QCD成功地攻占了強相互作用力,並占山為王,得到了大多數物理學家的認同。在這樣的內外交困中,最初的弦論很快就眾叛親離,被冷落到了角落中去。
在弦論最慘澹的日子裡,只有施瓦茨和謝爾克兩個人堅持不懈地沿著這條道路前進。1971年,施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作,把原來需要26維的弦論簡化為只需要10維。這裡面初步引入了所謂“超對稱”的思想,每個玻色子都對應於一個相應的費米子。與超對稱的聯盟使得弦論獲得了前所未有的力量,使它可以同時處理費米子,更重要的是,這使得理論中的一些難題(如快子)消失了,它在引力方面的光明前景也逐漸顯現出來。可惜的是,在弦論剛看到一線曙光的時候,謝爾克出師未捷身先死,他患有嚴重的糖尿病,於1980年不幸去世。施瓦茨不得不轉向倫敦瑪麗皇后學院的麥可·格林(Michael Green),兩人最終完成了超對稱和弦論的結合。他們驚訝地發現,這個理論一下子猶如脫胎換骨,完成了一次強大的升級。老的“弦論”已經死去了,新生的是威力無比的“超弦”理論,這個“超”的新頭銜,是“超對稱”冊封給它的無上榮耀。
當把他們的模型用於引力的時候,施瓦茨和格林狂喜得能聽見自己的心跳聲。老的弦論所預言的那個自旋2質量0的粒子雖然在強子中找不到位置,但它卻符合相對論!事實上,它就是傳說中的“引力子”!在與超對稱同盟後,新生的超弦活生生地吞併了另一支很有前途的軍隊,即所謂的“超引力理論”。謝天謝地,在計算引力的時候,無窮大不再出現了!計算結果有限而且有意義!引力的國防軍整天警惕地防衛粒子的進攻,但當我們不再把粒子當作一個點,而是看成一條弦的時候,我們就得以瞞天過海,暗渡陳倉,繞過那條苦心布置的無窮大防線,從而第一次深入到引力王國的縱深地帶。超弦的本意是處理強作用力,但它的注意力完全轉向了引力:天哪,要是能征服引力,別的還在話下嗎?
關於引力的計算完成於1982年前後,到了1984年,施瓦茨和格林打了一場關鍵的勝仗,使得超弦驚動整個物理界:他們解決了所謂的“反常”問題。本來在超弦中有無窮多種的對稱性可供選擇,但施瓦茨和格林經過仔細檢查後發現,只有在極其有限的對稱形態中,理論才得以消除這些反常而得以自洽。這樣就使得我們能夠認真地考察那幾種特定的超弦理論,而不必同時對付無窮多的可能性。更妙的是,篩選下來的那些群正好可以包容現有的規範場理論,還有粒子的標準模型!偉大的勝利!

理論革命

“第一次超弦革命”由此爆發了,前不久還對超弦不屑一顧,極其冷落的物理界忽然像著了魔似的,傾注出罕見的熱情和關注。成百上千的人們爭先恐後,前仆後繼地投身於這一領域,以致於後來格勞斯(David Gross)說:“在我的經歷中,還從未見過對一個理論有過如此的狂熱。”短短3年內,超弦完成了一次極為漂亮的帝國反擊戰,將當年遭受的壓抑之憤一吐為快。在這期間,像愛德華·威頓,還有以格勞斯為首的“普林斯頓超弦四重奏”小組都作出了極其重要的貢獻,不過我們沒法詳細描述了。網上關於超弦的資料繁多,如果有興趣的讀者可以參考這個詳細的資料索引:
第一次革命過後,我們得到了這樣一個圖像:任何粒子其實都不是傳統意義上的點,而是開放或者閉合(頭尾相接而成環)的弦。當它們以不同的方式振動時,就分別對應於自然界中的不同粒子(電子、光子……包括引力子!)。我們仍然生活在一個10維的空間裡,但是有6個維度是緊緊蜷縮起來的,所以我們平時覺察不到它。想像一根水管,如果你從很遠的地方看它,它細得就像一條線,只有1維的結構。但當真把它放大來看,你會發現它是有橫截面的!這第2個維度被捲曲了起來,以致於粗看之下分辨不出。在超弦的圖像里,我們的世界也是如此,有6個維度出於某種原因收縮得非常緊,以致粗看上去宇宙僅僅是4維的(3維空間加1維時間)。但如果把時空放大到所謂“普朗克空間”的尺度上(大約10^-33厘米),這時候我們會發現,原本當作是時空中一個“點”的東西,其實竟然是一個6維的“小球”!這6個捲曲的維度不停地擾動,從而造成了全部的量子不確定性(看看,這個理論竟然可以從根子上解釋不確定原理)!
這次革命使得超弦聲名大振,隱然成為眾望所歸的萬能理論候選人。當然,也有少數物理學家仍然對此抱有懷疑態度,比如格拉肖,費因曼。霍金(就是前天在人民大會堂面對六千人在輪椅上作報告的教授)對此也不怎么熱情。大家或許還記得我們在前面描述過,在1982年阿斯派克特實驗後,BBC的布朗和紐卡斯爾大學的戴維斯對幾位量子論的專家做了專門訪談。當超弦熱在物理界方興未艾之際,這兩位仁兄也沒有閒著,他們再次出馬,邀請了9位在弦論和量子場論方面最傑出的專家到BBC做了訪談節目。這些記錄後來同樣被集合在一起,於1988年以《超弦:萬能理論?》為名,由劍橋出版社出版。閱讀這些記錄可以發現,專家們雖然吵得不像量子論那樣厲害,但其中的分歧仍是明顯的。費因曼甚至以一種飽經滄桑的態度說,他年輕時注意到許多老人迂腐地抵制新思想(比如愛因斯坦抵制量子論),但當他自己也成為一個老人時,他竟然也身不由己地做起同樣的事情,因為一些新思想確實古怪——比如弦論就是!
人們自然而然地問,為什麼有6個維度是蜷縮起來的?這6個維度有何不同之處?為什麼不是5個或者8個維度蜷縮?這種蜷縮的拓撲性質是怎樣的?有沒有辦法證明它?因為弦的尺度是如此之小(普朗克空間),所以人們缺乏必要的技術手段用實驗去直接認識它,而且弦論的計算是如此繁難,不用說解方程,就連方程本身我們都無法確定,而只有採用近似法!更糟糕的是,當第一次革命過去後,人們雖然大浪淘沙,篩除掉了大量的可能的對稱,卻仍有5種超弦理論被保留了下來,每一種理論都採用10維時空,也都能自圓其說。這5種理論究竟哪一種才是正確的?人們一鼓作氣衝到這裡,卻發現自己被困住了。弦論的熱潮很快消退,許多人又回到自己的本職領域中去,第一次革命塵埃落定。

理論現狀

一直要到90年代中期,超弦才再次從沉睡中甦醒過來,完成一次絕地反攻。這次喚醒它的是愛德華·威頓。在1995年南加州大學召開的超弦年會上,威頓讓所有的人都吃驚不小,他證明了,不同耦合常數的弦論在本質上其實是相同的!我們只能用微擾法處理弱耦合的理論,也就是說,耦合常數很小,在這樣的情況下5種弦論看起來相當不同。但是,假如我們逐漸放大耦合常數,它們應當是一個大理論的5個不同的變種!特別是,當耦合常數被放大時,出現了一個新的維度——第11維!這就像一張紙只有2維,但你把許多紙疊在一起,就出現了一個新的維度——高度!
換句話說,存在著一個更為基本的理論,現有的5種超弦理論都是它在不同情況的極限,它們是互相包容的!這就像那個著名的寓言——盲人摸象。有人摸到鼻子,有人摸到耳朵,有人摸到尾巴,雖然這些人的感覺非常不同,但他們摸到的卻是同一頭象——只不過每個人都摸到了一部分而已!格林(Brian Greene)在1999年的《優雅的宇宙》中舉了一個相當搞笑的例子,我們把它發揮一下:想像一個熱帶雨林中的土著喜歡水,卻從未見過冰,與此相反,一個愛斯基摩人喜歡冰,但因為他生活的地方太寒冷,從未見過液態的水的樣子(無疑現實中的愛斯基摩人見過水,但我們可以進一步想像他生活在土星的光環上,那就不錯了),兩人某天在沙漠中見面,為各自的愛好吵得不可開交。但奇妙的事情發生了:在沙漠炎熱的白天,愛斯基摩人的冰融化成了水!而在寒冷的夜晚,水又重新凍結成了冰!兩人終於意識到,原來他們喜歡的其實是同一樣東西,只不過在不同的條件下形態不同罷了。
這樣一來,5種超弦就都被包容在一個統一的圖像中,物理學家們終於可以鬆一口氣。這個統一的理論被稱為“M理論”。就像沒人知道為啥007電影中的那個博士發明家叫做“Q”(扮演他的老演員於1999年車禍去世了,在此紀念一下),也沒人知道這個“M”確切代表什麼意思,或許發明者的本意是指“母親”(Mother),說明它是5種超弦的母理論,但也有人認為是“神秘”(Mystery),或者“矩陣”(Matrix),或者“膜”(Membrane)。有些中國人喜歡稱其為“摸論”,意指“盲人摸象”!
在M理論中,時空變成了11維,由此可以衍生出所有5種10維的超弦論來。事實上,由於多了一維,我們另有一個超引力的變種,因此一共是6個衍生品!這時候我們再考察時空的基本結構,會發現它並非只能是1維的弦,而同樣可能是0維的點,2維的膜,或者3維的泡泡,或者4維的……我想不出4維的名頭。實際上,這個基本結構可能是任意維數的——從0維一直到9維都有可能!M理論的古怪,比起超弦還要有過之而無不及。
不管超弦還是M理論,它們都剛剛起步,還有更長的路要走。雖然異常複雜,但是超弦/M理論仍然取得了一定的成功,甚至它得以解釋黑洞熵的問題——1996年,施特羅明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的論文為此開闢了道路。在那之前不久的一次講演中,霍金還挖苦說:“弦理論迄今為止的表現相當悲慘:它甚至不能描述太陽結構,更不用說黑洞了。”不過他最終還是改變了看法而加入弦論的潮流中來。M理論是“第二次超弦革命”的一部分,如今這次革命的硝煙也已經散盡,超弦又進入一個蟄伏期。PBS後來在格林的書的基礎上做了有關超弦的電視節目,在公眾中引起了相當的熱潮。或許不久就會有第三次第四次超弦革命,從而最終完成物理學的統一,我們誰也無法預見。
值得注意的是,自弦論以來,我們開始注意到,似乎量子論的結構才是更為基本的。以往人們喜歡先用經典手段確定理論的大框架,然後在細節上做量子論的修正,這可以稱為“自大而小”的方法。但在弦論里,必須首先引進量子論,然後才導出大尺度上的時空結構!人們開始認識到,也許“自小而大”才是根本的解釋宇宙的方法。如今大多數弦論家都認為,量子論在其中扮演了關鍵的角色,量子結構不用被改正。而廣義相對論的路子卻很可能是錯誤的,雖然它的幾何結構極為美妙,但只能委屈它退到推論的地位——而不是基本的基礎假設!許多人相信,只有更進一步地依賴量子的力量,超弦才會有一個比較光明的未來。我們的量子雖然是那樣的古怪,但神賦予它無與倫比的力量,將整個宇宙都控制在它的光輝之下。
2006年,世界弦理論大會在中國舉行。中國在這個理論物理的前沿領地,沒有較著名的科學家。

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