《上帝掷骰子吗 网络作家》

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上帝掷骰子吗 网络作家- 第72部分


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时用过的那些行之有效的手段,把它同样用在引力的身上。在相对论里,引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应,而正如我们所看到的,量子场论把基本的力看成是交换粒子的作用,比如电磁力是交换光子,强相互作用力是交换胶子……等等。那么,引力莫非也是交换某种粒子的结果?在还没见到这个粒子之前,人们已经为它取好了名字,就叫“引力子”(graviton)。根据预测,它应
  该是一种自旋为2,没有质量的玻色子。
  可是,要是把所谓引力子和光子等一视同仁地处理,人们马上就发现他们注定要遭到失败。在量子场论内部,无论我们如何耍弄小聪明,也没法叫引力子乖乖地听话:计算结果必定导致无穷的发散项,无穷大!我们还记得,在量子场论创建的早期,物理学家是怎样地被这个无穷大的幽灵所折磨的,而现在情况甚至更糟:就算运用重正化方法,我们也没法把它从理论中赶跑。在这场战争中我们初战告负,现在一切温和的统一之路都被切断,量子论和广义相对论互相怒目而视,作了最后的割席决裂,我们终于认识到,它们是互不相容的,没法叫它们正常地结合在一起!物理学的前途顿时又笼罩在一片阴影之中,相对论的支持者固然不忿气,拥护量子论的人们也有些踌躇不前:要是横下心强攻的话,结局说不定比当年的爱因斯坦更惨,但要是战略退却,物理学岂不是从此陷入分裂而不可自拔?
  新希望出现在1968年,但却是由一个极为偶然的线索开始的:它本来根本和引力毫无关系。那一年,cern的意大利物理学家维尼基亚诺(gabrielveneziano)随手翻阅一本数学书,在上面找到了一个叫做“欧拉β函数”的东西。维尼基亚诺顺手把它运用到所谓“雷吉轨迹”(reggetrajectory)的问题上面,作了一些计算,结果惊讶地发现,这个欧拉早于1771年就出于纯数学原因而研究过的函数,它竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应!
  维尼基亚诺没有预见到后来发生的变故,他也并不知道他打开的是怎样一扇大门,事实上,他很有可能无意中做了一件使我们超越了时代的事情。威顿(edwardwitten)后来常常说,超弦本来是属于21世纪的科学,我们得以在20世纪就发明并研究它,其实是历史上非常幸运的偶然。
  维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到,他们是芝加哥大学的南部阳一郎,耶希华大学(yeshivauniv)的萨斯金(leonardsusskind)和玻尔研究所的尼尔森(holgernielsen)。三人分别证明了,这个模型在描述粒子的时候,它等效于描述一根一维的“弦”!这可是非常稀奇的结果,在量子场论中,任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点,怎么会变成了一根弦呢?
  虽然这个结果出人意料,但加州理工的施瓦茨(johnschwarz)仍然与当时正在那里访问的法国物理学家谢尔克(joelscherk)合作,研究了这个理论的一些性质。他们把这种弦当作束缚夸克的纽带,也就是说,夸克是绑在弦的两端的,这使得它们永远也不能单独从核中被分割出来。这听上去不错,但是他们计算到最后发现了一些古怪的东西。比如说,理论要求一个自旋为2的零质量粒子,但这个粒子却在核子家谱中找不到位置(你可以想象一下,如果某位化学家找到了一种无法安插进周期表里的元素,他将会如何抓狂?)。
  还有,理论还预言了一种比光速还要快的粒子,也即所谓的“快子”(tachyon)。大家可能会首先想到这违反相对论,但严格地说,在相对论中快子可以存在,只要它的速度永远不降到光速以下!真正的麻烦在于,如果这种快子被引入量子场论,那么真空就不再是场的最低能量态了,也就是说,连真空也会变得不稳定,它必将衰变成别的东西!这显然是胡说八道。
  更令人无法理解的是,如果弦论想要自圆其说,它就必须要求我们的时空是26维的!
  平常的时空我们都容易理解:它有3维空间,外加1维时间,那多出来的22维又是干什么的?这种引入多维空间的理论以前也曾经出现过,如果大家还记得在我们的史话中曾经小小地出过一次场的,玻尔在哥本哈根的助手克莱恩(oskarklein),也许会想起他曾经把“第五维”的思想引入薛定谔方程。克莱恩从量子的角度出发,而在他之前,爱因斯坦的忠实追随者,德国数学家卡鲁扎(theodorkaluza)从相对论的角度也作出了同样的尝试。后来人们把这种理论统称为卡鲁扎…克莱恩理论(kaluza…kleintheory,或kk理论)。但这些理论最终都胎死腹中。的确很难想象,如何才能让大众相信,我们其实生活在一个超过4维的空间中呢?
  最后,量子色动力学(qcd)的兴起使得弦论失去了最后一点吸引力。正如我们在前面所述,qcd成功地攻占了强相互作用力,并占山为王,得到了大多数物理学家的认同。在这样的内外交困中,最初的弦论很快就众叛亲离,被冷落到了角落中去。
  在弦论最惨淡的日子里,只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈地沿着这条道路前进。
  1971年,施瓦茨和雷蒙(pierreramond)等人合作,把原来需要26维的弦论简化为只需要10维。这里面初步引入了所谓“超对称”的思想,每个玻色子都对应于一个相应的费米子(玻色子是自旋为整数的粒子,如光子。而费米子的自旋则为半整数,如电子。粗略地说,费米子是构成“物质”的粒子,而玻色子则是承载“作用力”的粒子)。与超对称的联盟使得弦论获得了前所未有的力量,使它可以同时处理费米子,更重要的是,这使得理论中的一些难题(如快子)消失了,它在引力方面的光明前景也逐渐显现出来。可惜的是,在弦论刚看到一线曙光的时候,谢尔克出师未捷身先死,他患有严重的糖尿病,于1980年不幸去世。施瓦茨不得不转向伦敦玛丽皇后学院的迈克尔?格林(michaelgreen),两人最终完成了超对称和弦论的结合。他们惊讶地发现,这个理论一下子犹如脱胎换骨,完成了一次强大的升级。现在,老的“弦论”已经死去了,新生的是威力无比的“超弦”理论,这个“超”的新头衔,是“超对称”册封给它的无上荣耀。
  当把他们的模型用于引力的时候,施瓦茨和格林狂喜得能听见自己的心跳声。老的弦论所预言的那个自旋2质量0的粒子虽然在强子中找不到位置,但它却符合相对论!事实上,它就是传说中的“引力子”!在与超对称同盟后,新生的超弦活生生地吞并了另一支很有前途的军队,即所谓的“超引力理论”。现在,谢天谢地,在计算引力的时候,无穷大不再出现了!计算结果有限而且有意义!引力的国防军整天警惕地防卫粒子的进攻,但当我们不再把粒子当作一个点,而是看成一条弦的时候,我们就得以瞒天过海,暗渡陈仓,绕过那条苦心布置的无穷大防线,从而第一次深入到引力王国的纵深地带。超弦的本意是处理强作用力,但现在它的注意力完全转向了引力:天哪,要是能征服引力,别的还在话下吗?
  关于引力的计算完成于1982年前后,到了1984年,施瓦茨和格林打了一场关键的胜仗,使得超弦惊动整个物理界:他们解决了所谓的“反常”问题。本来在超弦中有无穷多种的对称性可供选择,但施瓦茨和格林经过仔细检查后发现,只有在极其有限的对称形态中,理论才得以消除这些反常而得以自洽。这样就使得我们能够认真地考察那几种特定的超弦理论,而不必同时对付无穷多的可能性。更妙的是,筛选下来的那些群正好可以包容现有的规范场理论,还有粒子的标准模型!伟大的胜利!
  “第一次超弦革命”由此爆发了,前不久还对超弦不屑一顾,极其冷落的物理界忽然像着了魔似的,倾注出罕见的热情和关注。成百上千的人们争先恐后,前仆后继地投身于这一领域,以致于后来格劳斯(davidgross)说:“在我的经历中,还从未见过对一个理论有过如此的狂热。”短短3年内,超弦完成了一次极为漂亮的帝国反击战,将当年遭受的压抑之愤一吐为快。在这期间,像爱德华?威顿,还有以格劳斯为首的“普林斯顿超弦四重奏”小组都作出了极其重要的贡献,不过我们没法详细描述了。网上关于超弦的资料繁多,如果有兴趣的读者可以参考这个详细的资料索引:arxiv/abs/hep…th/0311044
  第一次革命过后,我们得到了这样一个图像:任何粒子其实都不是传统意义上的点,而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当它们以不同的方式振动时,就分别对应于自然界中的不同粒子(电子、光子……包括引力子!)。我们仍然生活在一个10维的空间里,但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的,所以我们平时觉察不到它。想象一根水管,如果你从很远的地方看它,它细得就像一条线,只有1维的结构。但当真把它放大来看,你会发现
  它是有横截面的!这第2个维度被卷曲了起来,以致于粗看之下分辨不出。在超弦的图像
  里,我们的世界也是如此,有6个维度出于某种原因收缩得非常紧,以致粗看上去宇宙仅仅是4维的(3维空间加1维时间)。但如果把时空放大到所谓“普朗克空间”的尺度上(大约10^…33厘米),这时候我们会发现,原本当作是时空中一个“点”的东西,其实竟然是一个6维的“小球”!这6个卷曲的维度不停地扰动,从而造成了全部的量子不确定性!
  这次革命使得超弦声名大振,隐然成为众望所归的万能理论候选人。当然,也有少数物理学家仍然对此抱有怀疑态度,比如格拉肖,费因曼。霍金对此也不怎么热情。大家或许

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