上帝口袋裡的「糖」——弦理論與超弦理論

在物理學的發展上,愛因斯坦的相對論可以說是一座裡程碑。相對論的出現讓物理學家對引力場有了一個更深刻的認識,並且把有關引力的計算精確到了讓人難以置信的地步。

因此,相對論成了物理學家預言所有引力系統演變的工具,甚至可以預言整個宇宙的演化歷程。但是,愛因斯坦的相對論再成功都不可能是引力的最終結論當遇到了極端微小的距離時,相對論的理論就不再適用。因為在極端微小的尺度上,只有新的引力範式オ可能計算出精準的數據。

而物理力學家們相信,這一範式必定是弦理論。弦理論是理論物理的一個分支學科。弦理論的一個基本觀點是,組成宇宙和自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的「弦」。

這個所謂的弦包括有端點的「開弦」,圓圈狀的「閉合弦」。當基本單元弦在振動和運動時,就會產生各種各樣不同的基本粒子如果弦理論是正確的,那麼這種理論就會和廣義相對論、量子力學和粒子物理一起解釋了宇宙中所存在的一切景象。廣義相對論比較適用於大質量的延伸物體,也就是研究宏觀世界中的物理現象,但是想要研究引力對原子的影響,那麼相對論就變得無能為力了。所以物理學家在研究原子的運動狀況時,可以完全忽略掉相對論,只有這樣才有利於研究。這個時候,量子力學的理論就變得十分關鍵。

在弦理論中,所研究的對象並不是佔據空間單獨存在的基本粒子,而是一維的弦,這些弦或許有端點,或許會任意連接成為一個閉合的圓圈形。

弦理論告訴我們,宇宙中的萬物是由基本粒子構成的,而那些基本粒子則是由弦的振動構成的。也就是說,弦才是宇宙中最終的根本存在。每一個基本粒子的出現都是一個基本弦的振動,而弦振動的特徵則決定了粒子的屬性,例如粒子的質量和電荷等。因為弦的振動方式有許多種,所以會產生不同類型的粒子。

後來,施瓦茨在弦理論的基礎上又提出了超弦理論,不過這個超弦理論只有在十維中才有意義。弦本身就是沿著一個空間維度進行延伸的,而且還會穿越時間。一個點狀的物體,由於其在空間維度上沒有延伸,所以它的空間維度是零,因此點狀的物體可以在三維的空間中自由移動。而一根弦就像一條直線一樣,具有一個空間維度,因此弦可以在更多維度的空間內自由移動。具體的維度應該是十維度,其中還包括時間這個維度,這是施瓦茨計算得出的結果。

那麼,超弦理論為什麼要在弦理論前面加上一個「超」字呢?這是因為施瓦茨等人認為每個基本粒子必須有一個超對稱的夥伴,如電子對超電子,於是,弦理論就有了它的夥伴一一超弦理論。在超弦理論中,任何基本粒子都不再是一個點,而是一根閉合的弦。當弦發生振動的時候,會分別對應宇宙中不同的粒子。

不過,施瓦茨等人研究出的超弦理論受到了巨大的考驗。因為他們所研究出的超弦模型只有在10個維度中才有可能是正確的,也就是說超弦理論並不適用於每個維度而且面對這種先進的理論,作為四維時空生物的我們更加難以相信。

畢竟,想像四維具體是什麼樣子的就十分困難,更別說接受一個十維宇宙了。當時,施瓦茨等人甚至還成為了許多人的笑柄。

有一次施瓦茨在乘坐電梯的時候,就被一個同事取笑道:

「施瓦茨,請問你今天在多少個維度中生活?」

後來,不知道為什麼,大多數物理學家都對超弦理論產生了巨大的興趣,並且投入研究。個別物理學家甚至覺得超弦理論可以解決宇宙的終極之謎,如果自己能研究出一套完備的超弦理論,不僅可以垂名青史,還可以獲得諾貝爾獎。

當有人批評他的這種想法時,他卻說:

「超弦理論的權威研究者雖然說目前這個理論還只處於搖籃期,但是我覺得他們是在胡說八道。」

除此之外,還有物理學家對這種熱衷超弦理論現象的嘲諷:對於超弦理論的研究,如果不是哲學家和宗教學者的任務,那麼至少應該是數學家的工作。」

總的來說,超弦理論被人們接受是十分困難的。在弦理論剛剛提出的時候就遭到了打壓,最初的幾個預言都被實驗數據無情地推翻了。當大多數研究者放棄的時候,施瓦茨等人依然在堅持研究。

通過長達十年的研究,施瓦茨等人發表了有關超弦理論的論文,並且解決了之前理論中所存在的瑕疵,向世人證明超弦理論有能力成為萬物理論。