聊粒子-弦理论

12 4月

弱电统一后人们开始试图将强力也统一进来。将电磁力,弱力,强力的统一理论叫做“大统一理论”,简称GUT(Grand Unified Theories)。

GUT目前虽然有一些理论,但实验上都无法被证实。

例如预言质子的衰变期是10^31次方年,这个时间已经远远超出人类能理解的程度了,更别说实验验证了。所以严格地讲强力还没有被统一,直到现在GUT也是热门的研究方向。

引力水就更深了,引力子甚至不在标准粒子模型内。

虽然引力是第一个被发现的基本作用力,早在300多年前牛顿就总结出了牛顿力学,但人类对引力至今仍旧一无所知。

将电磁力,弱力,强力,引力都统一起来的理论叫“万有理论”(Theory of Everything)。

万有理论试图将四种基本作用力用一个框架来解释:这四种力其实是一种力在不同物理条件下呈现的不同性质。

如果人类哪天真能知晓万有理论,成神真的不是梦。

人类将有能力(起码是理论上有能力)摆脱时间和空间的束缚进入更高的维度。

目前最前沿的研究“万有理论”的是“量子引力”和“弦理论”。

量子引力就是研究引力场的量子化,包括圈量子引力(loop quantum gravity,LQG),量子几何学(quantum geometry)。

弦理论(string theory)就是美剧《生活大爆炸》中的谢尔顿在研究的理论。

弦理论其实很早就有了,刚出现时是用于解释强力。

强力被发现后,就出现了多种理论试图解释强力,包括弦理论,超对称理论等。

通常研究强力都是从杨米尔斯规范场开始研究,通过改造规范场理论来描述强力。1968年意大利物理学家韦内齐亚诺(1942-至今)独辟蹊径,自己构造了一个函数来描述强力过程中的一些散射情况。

后来人们发现韦内齐亚诺的这个函数,其实200多年前的数学之神欧拉(1707-1783)就已经给出过,就是欧拉积分里的β函数。

韦内齐亚诺发现的这个β函数可以处理强力中具有4个粒子的散射模型,现在就叫韦内齐亚诺模型。

南部阳一郎等人就开始研究韦内齐亚诺模型,发现β函数之所以可以描述具有4个粒子的散射模型,是因为在函数中粒子是可以被看做是一根弦,即某种特定的空间延伸量。

这根弦受到两个力,一个是向内的张力,就像橡皮筋天然就倾向于两端往里收,一个是向外的旋转离心力,两个力达到平衡。

美国物理学家约翰.施瓦茨(1941-至今)把弦理论引入夸克模型,认为夸克之间靠一条弦连接着。

当你试图剪断弦的时候,会在断开处迅速出现一对正反夸克对。这条弦又有了新的端点,形成了新粒子。

虽然夸克禁闭至今仍是未解之谜,但只要有人给出解释,就很受欢迎。所以弦理论进入了人们的视野中。

弦理论的问题是过于抽象,都是数学上的表述。

例如根据施瓦茨计算,处于基态(基态就是最低能量态,除此之外都叫激发态)的弦应该具有虚质量。虚质量就是质量的平方是负数,所以虚质量的粒子速度比0质量的光子还快。但谁也没见过比光速更快的粒子。

而且弦理论在数学上必须是26维,太抽象了,超出了人类能理解的范畴。

1971年出现“超对称理论”试图描述强力,说费米子和玻色子之间应该具有某种对称性。即每个粒子都应该有自己的超伴子,费米子有它的玻色伴子,玻色子有它的费米伴子,这样相当于基本粒子的数量直接翻倍了。

但在实验中超伴子一个都没找到,所以”超对称理论“就没落了。

最终量子色动力学QCD,从众多理论中脱颖而出,成为目前最被认可的解释强力的理论。弦理论,超对称理论等其他理论就淡出了人们的视线。

但施瓦茨没有放弃,1974年借鉴了超对称理论的思想,尝试用弦理论来描述费米子。

过程中发现,在数学模型中会自动出现质量为0且自旋为2的粒子。但在粒子图谱中并没有这个粒子。

到了1980年施瓦茨和格林(1946-至今)二人合作,将弦理论和超对称理论统一了,给出了第一个版本的“超弦理论”。

原本弦理论和超对称理论都是试图描述强力,他们发现“超弦理论”用来描述强力总是和实验结果不符,会出现结果无穷大,但发现用来描述引力就不会出现无穷大。

而且这个质量为0且自旋为2的粒子可能就是用来传递引力的引力子。

现代物理学的两大基石就是广义相对论和量子力学,前者描述宏观,后者描述微观。两者总是无法统一,粒子物理学家们正愁引力没法统一呢,现在出现了一个”超弦理论“,似乎可以从微观角度描述引力。

而且施瓦茨和格林在数学上将原本26维的弦理论降到了10维,虽然10维仍旧超越了人类能理解的程度,但数学复杂度确实大大降低了。

1984年施瓦茨和格林又提出新的对称SO(32),可以消除所有的畸变和无穷大,通过10维中弦的不同振动模式可以得到各种粒子,这不就是”万有理论“吗!

因此“超弦理论”一炮而红,爆发了第一次超弦革命。很多物理学家开始研究弦理论,并诞生了各种版本。

例如2004年诺奖得主格罗斯,与哈维,马提尼克,罗姆共同建立了杂交弦理论,或者叫混合弦理论。这四人被称为普林斯顿大学的“弦乐四重奏”。

到了1995年,当时已经有5个版本的弦理论了,美国物理学家,同时也是数学菲尔兹奖得主爱德华.威顿(1951-至今)证明了这5个版本的弦理论本质上是等价的。

爱德华.威顿也是神一样的人物,本科主修的是历史,平时热衷于文学,经济学,还一度投身新闻界。

研究生去了普林斯顿大学数学系,学了一年数学,转行去研究粒子物理。导师就是上面提到的,被称为普林斯顿大学弦乐四重奏的,2004年诺奖得主格罗斯。

弦理论都是数学表述,对粒子运动的描述公式相当复杂,威顿研究了这5个版本的弦理论后,提出5个理论互为对偶且具有相同的物理性质。将它们统一起来的理论被称为“M理论”(M可能是Magic魔法的首字母)。

M理论中空间是具有11维的,我们只看到4维,剩下7个维度都蜷缩在真空中,这叫做紧致化。

如果M理论是正确的前提下,那物质的基本构成可以不是一维的弦,也可以是二维膜,三维方块等。

“M理论”的诞生也爆发了第二次超弦革命,弦理论成为了物理界炙手可热的研究对象。

威顿也因为对“超弦理论”所作出的杰出贡献,于1990年获得了数学界的菲尔兹奖,也是唯一获得菲尔兹奖的物理学家。

M理论也不负众望,1996年哈佛大学的Storminger和Vafa发现通过“M理论”计算的黑洞熵符合霍金的预测,至此人们更相信M理论能统治宇宙。

M理论的最大的问题就是:实在太难了!

要数学物理双精通,例如在求解方程时,别说方程的根解式了,连方程都是近似的。《生活大爆炸》里谢尔顿的黑板上都是在计算方程。

而且要实验验证M理论,在短期内也是无法实现的。

人类最前沿的认知,让我们跟在谢尔顿背后,拭目以待。

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