谈谈“弦理论”

2019年10月27日 01:24

弦理论,曾代表了理论物理学家的一个伟大理想——在一个简单的数学图景中描述世间所有的物质和作用力。但是经历无数的论文、学术会议与黑板上擦了又写满的记号后,曾经这个令人惊叹的理论突破,如今却比任何时候都遥不可及。

曾为"万物理论"的最佳候选人,如今又归于平寂?说说"弦理论"

尽管弦理论没有复兴的迹象,但其中产生的洞察对物理学和数学都产生了深远的影响。无论你喜不喜欢它(部分物理学家确实不喜欢它),弦理论的影响都在那里,不增不减。

弦理论——简单优美的物理图景

曾经作为“万物理论”的候选人,弦理论旨在解决各类理论难题,最基本的一个问题就是“引力是如何作用于如电子、光子等粒子的”。爱因斯坦的广义相对论把引力描述为大质量物体(如行星)让空间产生弯曲导致的。但理论物理学家认为引力“应该”表现得像电磁力那样具有量子背景,电磁力是通过物质间交换光子而产生的。但在自然四大基本作用力中,只有引力缺乏这样粒子性的描述。

理论物理学家可以预测,如果产生引力作用的基本粒子(可称为“引力子”)存在,这种粒子应该具备哪些性质。但是当他们尝试计算两个引力子在一起作用时,会产生奇异的解,使很小的空间内却包含着无限的能量。这是一种危险的信号,表明其数学描述中缺失了某样东西。

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一种可能的解决方案由核物理学家在1970年代提出,即修改问题的根源:“”状的引力子。相对于零维的“点”,一维的“线”似乎更实在。于是“”的理论被提出,也只有弦可以做到潇洒地进行碰撞和反弹,而不会在计算上出现无穷大,导致引入物理上并不存在的“无限”。

弦理论将宇宙万物的描述翻开了新的一页,用一根细小振动的弦来替换掉原本描述力和物质的基本粒子。这根弦可以扭曲转变为复杂的形式,以至于从我们的角度看,它表现得就像“粒子”。一根具有特定长度的弦,以一定节奏舞动着,就能获得光子的性质;而另一类弦以不同的方式折叠和振动,就能表现得跟夸克一样。总之,每一种基本粒子,都可以由特定方式的弦来“扮演”,引力子也不例外。除了驯服引力之外,弦理论架构还具备解释基本常数(如电子质量)的本领。理论学家期待下一步找到弦折叠和运动的正确形式,这样就可以把万物之理都囊括进来。

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不过,谁也没想到最初为了简化物理图景所引入的弦理论,后来却造成了前所未有的复杂性。在我们熟悉的四维时空里(3个空间维和1个时间维)弦的数学不能成立,它还需要额外的6个维度,总共需要10维!不过这额外的6个维度只有细小的弦能感受到,而我们却看不见。这有些像我们站在地面上看电塔的高压线是一些细线,而对于高压线上的蚂蚁而言却是三维的圆柱体。除了这个问题外,上世纪80年代中期物理学家总共提出了5种相互矛盾的弦理论,致使理论中的一切都是支离破碎的。

一个包容弦理论的理论

在爱因斯坦建立广义相对论之前,物理学家就曾有过增加空间维度来化解矛盾的事迹。1914年,芬兰物理学家诺德斯特罗姆发现,只要增加一个空间维度,就能统一引力场和电磁场,不过额外的维度与观测事实不符,需要隐藏起来。他写出了描述4个空间维(加1个时间维)的电磁场方程,引力就从中自然地跳了出来。数学上优美、简洁,却被证明仍然是错误的。

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“四维产物”克莱因瓶

而后德国物理学家卡鲁扎,以及瑞典物理学家克莱因(不是提出“克莱因瓶”的克莱因,那个是德国数学家),复活了诺德斯特罗姆的隐藏维思想,构建了“卡鲁扎-克莱因理论”,将广义相对论建立在五维世界中,那么麦克斯韦的电动力学方程就顺理成章地成为了爱因斯坦方程的一个解。这一次连爱因斯坦都为之所动,然而遗憾的是,这个理论尽管数学上很美,在物理上仍然不够真实,瑜不掩瑕。

只需增加维度就能获得极其优美的数学模型,物理学家大多很难舍弃这类“优美”的理论,在量子派别的统一理论中也出现了这种趋势。矛盾的5种弦理论提出的十年后,在1995年南加州大学的弦理论会议上,身为普林斯顿大学高级研究所理论学家的爱德华·威腾,提出了一种新的框架,将5种理论以意想不到的方式联系在一起。威腾认为5种弦理论各自代表了特定情形下,对一种更基本的基于11维的理论的近似(注意弦理论只需要10维),就像牛顿的引力定律是对爱因斯坦广义相对论在静态、缓变的弱引力场下的近似(牛顿引力定律尽管是近似但精度依然很高,不过在中子星、黑洞附近的强引力场下则会失效)。

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“膜宇宙”模型

这个新理论被称为“M理论”,但到目前为止还没有人能知道它应该采用什么样的数学形式。字母“M”可能是受到一种被称为“”(Membranes)的高维物体的启发,但鉴于该理论没有具体的数学方程,“M”仍只是没有官方含义的占位符而已。有物理学家评论说,这个能完全描述万物的终极理论,简直是把我们的无知进行参数化。

物理学家尝试找出适用于一切情况的通用方程式,但目前并没有取得什么成果。不过他们坚信终极理论的存在,这给物理学家为5种弦理论开发数学模型,将它们纳入正确的框架提供了理解和信心。弦理论中的弦太小了,我们无法用任何想到的技术去验证,但弦理论的早期成功已出现在1996年对“黑洞熵”的描述时。

”描述了你可以排布系统各部分的可能性情况的数量。但如果我们不能看到黑洞的深处,就不能知道它含有哪些粒子,或是它能满足怎样的排布。然而,在1970年代早期,斯蒂芬·霍金与同事展示了对黑洞熵的计算,表明黑洞确实存在某种内部结构。大多数尝试描述黑洞内部结构的理论都失败了,而引入弦理论的基本假设却能成功。物理学家表示,弦理论不只是可以得出粗糙的结论,而是能对黑洞进行精确的计算。

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粒子物理学中的“标准模型”

但弦理论框架依然面临许多挑战,它为了满足粒子物理学中的“标准模型”框架,创造了近乎无数的方式去折叠额外的维度,使我们很难分辨到底哪一个才是正确的。此外,这所有的模型都依赖于“超对称性”,即产生作用力的粒子与产生物质的粒子间的等价性,但我们却没能在现实世界中观察到这种性质,就像我们也看不到额外的维度一样。物理学家认为这些模型还不能描述一个正在膨胀的宇宙。


弦理论最核心的问题不在于在过去30年里进展缓慢,而是进展往往是负面的,使人们越来越清晰地认识到理论为什么出了问题。

英国南安普顿大学的理论物理学家玛丽卡·泰勒乐观地认为,今天的模型过于简化,未来版本的弦理论或许会加入“宇宙膨胀”以及接受“缺少超对称性”等特征。引力波天文学的新时代可能会带来更多关于量子引力的信息,继续将弦理论中的数学深入或许会带来新的进展。