讀古今文學網 > 時間的形狀 > 超弦理論 >

超弦理論

上帝有時候對人類挺好,經常會給我們一點好運氣,弦理論的發現也是這樣。物理學界流傳著這樣一句話——「弦理論是21世紀的理論偶然落到了20世紀,被好運氣的物理學家們拾到了。」

1968年,有一個叫作維尼齊亞諾(Veneziano,1942- )的年輕意大利物理學家,他就職於大名鼎鼎的歐洲核子研究中心(簡稱CERN,這個機構出過很多牛逼哄哄的人物,包括互聯網之父蒂姆·伯納斯·李,我們前面提到的那個全世界最大的粒子加速器LHC也是這個機構建造的)。大多數物理學家都是數學家,這個維尼齊亞諾也不例外,他對數學是相當有興趣。有一天,他閒來無事開始把玩兩百多年前大數學家歐拉發明的一個函數——所謂的歐拉β函數,即,給一個x值,算出一個y值,再給一個x值,再算出y值,然後寫在紙上,就好像小孩子孜孜不倦地把積木擺來擺去一樣。你可能覺得物理學家真奇怪,這有啥好玩的?我們大多數人都對數字很討厭,唯恐避之不及,所以我們大多數人就只能當當普通老百姓,當不了神奇的「家」。

維尼齊亞諾玩著玩著,突然發現眼前這些數字怎麼越看越熟悉。物理學有時候就會出現這種驚奇和意外,維尼齊亞諾手中的這些數字,讓他突然就聯想到了全世界各地彙集過來的粒子對撞中產生的大量的原子碎片的各種數據,它們似乎有著極其驚人的關聯。冥冥之中,似乎兩百多年前的歐拉獲得了上帝的啟示,寫下了這個歐拉β函數;歷經兩百多年的時空穿越,維尼齊亞諾偶然發現了這個函數的驚人秘密。但問題是,這個函數雖然很管用,但是沒有人能知道這個函數到底代表著什麼物理意義,就好像一個小孩背會了九九乘法表,可以輕鬆地幫奶奶算出菜價,但是小孩卻完全不知道這個像歌謠一樣的九九乘法表是怎麼來的,表示什麼意義。維尼齊亞諾面臨的尷尬就跟這個小孩是一樣的。

要把一團亂麻給理成一根線,最關鍵也是最難的是要找到線頭。現在,揭示微觀世界秘密的線頭被找到了,就是這個歐拉函數。兩年之後,芝加哥大學、斯坦福大學、玻爾研究所的幾位科學家幾乎同時發現,如果用小小的一維的振動的弦來模擬基本粒子,那麼它們之間的核作用力就能精確地用歐拉函數來描寫。這根弦非常非常小,小到在我們現有的所有實驗條件下,它表現出來的都仍然像一個點,實在太小了。

然而,弦理論的這條路非常坎坷,似乎一堆剛剛冒出一點火星的柴堆,還沒竄出第一個火苗就被當頭澆了一盆涼水。弦理論最初的幾個預言被實驗數據無情地推翻,全世界的物理學家們在一片唏噓中,都不情願地把弦理論扔進了廢紙簍,只有謝爾克、格林和施瓦茲等幾個少數物理學家仍然沒有放棄。他們覺得弦理論所展現出來的數學之美實在是太讓人印象深刻了,哪怕在實驗數據上有瑕疵,他們也不願意放棄,他們願意去修正理論而不是將它扔到垃圾桶中。經過十多年的努力,終於在一篇里程碑式的文章中,他們解決了矛盾,並且向世人宣告弦理論有能力成為萬物理論。這篇文章在物理學界激起千層浪,許許多多物理學家放下手頭的工作,激動地閱讀格林和施瓦茲的文章,讀罷,很多人都馬上停掉了手中的研究項目,轉而一頭奔向這個終極理論的戰場,有什麼事情能比得上探求統一全宇宙的理論更令人激動呢?

1984年至1986年,出現了物理界中的「第一次超弦革命」。為什麼在弦理論前面又增加了一個「超」字呢?格林和施瓦茲認為每一個基本粒子必須要有一個「超對稱」的夥伴,電子有一個超夥伴叫作超電子,光子的超夥伴叫作光微子等等。弦理論和超夥伴的假想一結合,立即發揮出巨大的威力,就好像脫去普通西裝,露出內褲外穿的超人本尊。從此,弦理論升級為超弦理論。超弦理論認為,任何基本粒子都不是一個點,而是一根閉合的弦,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。我們這個宇宙是一個十維的宇宙,但是有六個維度緊緊蜷縮了起來。就像遠遠地看一根吸管,它細得就像一條一維的線,但是當我們湊近一看,發現它其實是一根三維的管,其中的二維捲起來了。那六個維度的空間收縮得如此之緊,以至於必須要放大一億億億億多倍(1後面34個零)才能發現,其實所有的粒子都不是一個點,而是一個六維的「橡皮筋圈」,不停地在空間中振動,演奏著曼妙的音樂。

【圖10-3】超弦假想圖

從第一次超弦革命爆發到現在,已經過去了二十多年,物理學界又有了很多很多的發現。例如從超弦理論中又派生出M理論,現在正熱門。這個理論把十維宇宙又擴展了一維,變成了十一維的宇宙(十個空間維加上一個時間維)。再往下講就不是本書力所能及的了,畢竟我們這僅僅是一本介紹相對論的閒書,甚至都不能稱為一本嚴謹的科普書。如果你對超弦理論還想瞭解得更多,推薦閱讀美國人B·格林寫的《宇宙的琴弦》。