物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”( 二 )


物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”
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弦理论不仅能解释粒子的本质 , 而且也能解释时空的本质 。 当一根弦在时空中移动时 , 它完成了一组复杂的运动 。 这根弦还能分解成更细小的弦 , 也能与别的弦碰撞构成更长的炫 。 关键是 , 所有这些量子修正或圈图(费曼图中将平面分割成不联通数个区域的图形)都是有限的和可计算的 。 这是物理学史上第一个具有有限量子修正的量子引力理论 。
先前所有的理论——包括爱因斯坦原初的理论 , 卡鲁查-克莱因理论 , 和超引力理论——在这个关键性判据上都失败了 。
为了完成这些复杂的运动 , 弦必须遵循一大套自洽的条件 , 它们如此之严格 , 以至于对时空设置了某些限制性很强的条件 。 换句话说 , 弦不能像点粒子那样在任意的时空中自沿地传播 。
当第一次计算出把弦约束在时空中的条件时 , 物理学家惊奇地发现爱因斯坦方程从弦中产生出来 。 这是惊人的 , 没有假设任何的爱因斯坦方程 , 物理学家发现它们从弦理论中产生出来 , 这简直是在变魔术 。 爱因斯坦方程不再被发现是基本的 , 它能从弦理论中推导出来 。
如果弦理论正确的话 , 那么它将揭开关于木头和大理石长期存在的奥秘 。 爱因斯坦猜想有朝一日单靠大理石解释木头的所有性质 。 对于爱因斯坦而言 , 木头就是时空的扭折或振动 。 然而 , 量子物理学家想到的是反面 。 他们认为 , 大理石能够变成木头 , 即爱因斯坦的度规张量能被转变成引力子 , 引力于则是荷载引力的离散的能量包 。 这是两个截然相反的观点 , 人们一直认为不可能在它们二者之间达成妥协 。 然而 , 弦正是木头与大理石之间"缺失的环节" 。
物理学中所有真正伟大的思想都是超弦理论的“派生物”
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弦理论既能导出可看作在弦上共振的物质粒子 , 也能通过要求弦在时空中自洽运动来导出爱因斯坦方程 。 用这种方法 , 我们有了一个质能和时空的无所不包理论 。
这些自洽约束条件非常严格 。 例如 , 它们禁止弦在三维或四维中运动 。 我们将看到 , 这些自洽条件迫使弦在一个特定的维数中运动 。 事实上 , 弦理论所允许的“魔数”是10维和26维 。 幸运的是 , 定义在这些维中的弦理论有足够的“空间”统一所有的基本力 。
因此 , 弦理论足以解释自然界所有基本定律 。 从一个振动弦的简单理论开始 , 人们能推导出爱因斯坦理论 , 卡鲁查-克莱因理论 , 超引力 , 标准模型 , 乃至大统一理论 。 看起来简直是一个奇迹∶从一些弦的纯几何讨论出发 , 人们能够重新导出过去2000年中物理学的所有进展 。
以前 , 人们认为弦可能有些缺点 , 这些缺点将妨碍建立一个完全自洽的理论 。 然而在1984年 , 两个物理学家施瓦茨及其合作者格林证明关于弦的所有自洽条件都能被满足 。 这转而激起了年轻物理学家一窝蜂地求解该理论 。 到80年代末 , 一个名副其实的“淘金热”在物理学家中开始出现 。 世界上求解该理论的好几百个优秀理论物理学家之间的竞争变得十分激烈 。 为什么是弦?
为什么是弦?为什么不是振动的固体或疙瘩?
如果对现有物理学有一个非常深刻的理解 , 或许可以看出 , 大自然像巴赫或贝多芬的作品 , 常常开始有一个主题 , 接着就有围绕主题的无数变奏 , 这些变奏遍布整个交响曲 。 以此为判据 , 弦似乎不是大自然中的基本概念 。
例如 , 轨道的概念以各种不同变奏反复出现在自然界 。 自从哥白尼的工作以来 , 轨道提供了基本的主题 , 它常常以各种不同变奏在整个自然中反复出现 , 从最大的星系到原子 , 再到最小的亚原子粒子 。 同样 , 法拉第场被证明是自然偏爱的主题之一 。 场能描述星系的磁场和引力作用 , 亦能描述麦克斯韦的电磁理论 , 爱因斯坦和黎曼的度规理论 , 以及标准模型中发现的杨-米尔斯场 。 事实上 , 场理论作为亚原子物理学的普适语言而出现 , 可能宇宙也是这样 。 所有已知形式的物质和能量 , 都已用场理论来表述 。 此外 , 像交响曲中的主题和变奏一样 , 模式也不断被反复 。