最有可能統一所有力的理論:超弦理論 楊振寧對此表示不以為然

2020-12-04 遨遊世界科學

弦理論是理論物理的一個分支學科,弦論的一個基本觀點是,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」(包括有端點的「開弦」和圈狀的「閉弦」或閉合弦)。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質是可以轉化的,故弦理論並非證明物質不存在。弦論中的弦尺度非常小,操控它們性質的基本原理預言,存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體,後者被簡稱為「膜」。直觀的說,我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。弦論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。

弦理論的雛形是在1968年由Gabriele Veneziano發現。他原本是要找能描述原子核內的強作用力的數學公式,然後在一本老舊的數學書裡找到了有200年之久的歐拉公式),這公式能夠成功的描述他所要求解的強作用力。然而進一步將這公式理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」卻是在不久後由 李奧納特·蘇士侃所發現,這在日後則發展出「弦理論」。

弦理論會吸引這麼多注意,大部分的原因是因為它很有可能會成為終極理論。目前,描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論在根本上有衝突,廣義相對論的平滑時空與微觀下時空劇烈的量子漲落相矛盾,這意味著二者不可能都正確,它們不能完整地描述世界。而除了引力之外,量子力學很自然的成功描述了其他三種基本作用力:電磁力、強力和弱力。弦理論也可能是量子引力的解決方案之一。超弦理論還包含了組成物質的基本粒子之一的費米子。至於弦理論能不能成功的解釋基於目前物理界已知的所有作用力和物質所組成的宇宙以及應用到「黑洞」、「宇宙大爆炸」等需要同時用到量子力學與廣義相對論的極端情況,這還是未知數。

弦理論有更大的問題:似乎只有當空間— 時間是十維或二十六維,而不是通常的四維時它們才是協調的!當然,額外的空間 —時間維數是科學幻想的老生常談;的確,它們幾乎是必不可少的,因為否則相對論對人們不能旅行得比光更快的限制意味著,由於要花這麼長的時間,以至於在恆星和星系之間的旅行成為不可能。科學幻想的辦法是,人們可以通過更高的維數抄近路。這一點可用以下方法描述。想像我們生活的空間只有二維,並且彎曲成像一個錨圈或環的表面。如果你是處在這圈的內側的一邊而要到另一邊去, 你必須沿著圈的內邊緣走一圈。然而,你如果允許在第三維空間裡旅行,則可以直 穿過去。

  如果這些額外的維數確實存在,為什麼我們沒有覺察到它們呢?為何我們只看 到三維空間和一維時間呢?一般認為,其他的維數被彎卷到非常小的尺度——大約 為1英寸的一百萬億億億分之一的空間, 人們根本無從覺察這麼小的尺度。我們只能看到一個時間和三個空間的維數,這兒空間—時間是相當平坦的。這正如一個桔子的表面:如果你靠非常近去看,它是坑坑窪窪的並有皺紋;但若離開一定的距離, 你就看不見高低起伏而顯得很光滑。對於空間—時間亦是如此。因此在非常小的尺度下,空間—時間是十維的,並且是高度彎曲的;但在更大的尺度下,你看不見曲率或者額外的維數。如果這個圖像是正確的,對於自願的空間旅行者來講是個壞消息,額外附加的維實在是太小了,以至於不能允許空間飛船通過。然而,它引起了另一個重要問題:為何是一些而不是所有的維數被捲曲成一個小球?也許在宇宙的極早期所有的維都曾經非常彎曲過。為何一維時間和三維空間攤平開來,而其他的維仍然緊緊地捲曲著? 人擇原理可能提供一個答案。二維空間似乎不足以允許像我們這樣複雜生命的 發展。例如,如果二維動物吃東西時不能將之完全消化,則它必須將其殘渣從吞下 食物的同樣通道吐出來;因為如果有一個穿通全身的通道,它就將這生物分割成兩 個分開的部分,我們的二維動物就解體了。類似的,在二維動物身上實 現任何血液循環都是非常困難的。

不過,楊振寧科學家卻對超弦理論不以為然,楊振寧先生是純粹的理論物理學家。在一開始,他是學實驗物理的,但是作實驗的能力很一般。也致於人們說:那裡有爆炸,那裡有楊振寧。後來在老師的勸說下改學理論物理。

  

  但是,楊振寧先生始終強調:物理學是以實驗為基礎的科學。對於一個物理學家來說,只有數學形式,沒有物理內容,價值是非常有限的。

  

  楊振寧先生說:像前蘇聯和中國的一些物理研究所,都是理論物理學家當所長,而在美國,多數是實驗物理學家當所長。楊振寧先生對中國古代所謂「君子動口不動手」的說法是深惡痛絕的,更欣賞「擼起袖子幹活」的實幹精神。

  科學是老老實實的學問,不能被實驗或觀察證實,只能是一種假說,如果這種假說超過現實太遙遠,意義是很有限的。

  

  所以楊振寧先生對於超弦理論是不以為然的。就現有的理論而言(比如標準模型,預言62種粒子,還有一種粒子沒有被發現),現有的條件下用實驗證實已經很難,更進一步的理論,還沒有到出現的歷史關頭。楊振寧先生認為:就科學的規範而言,超弦理論還不如地心說。今天,我們認為地心說是不正確的,但是地心說完全是依據科學的範式提出來的,也能解釋許多現象。而弦理論,為了統一四種力,弦理論不得不引入十一維究空間,其合理性還不如地心說。

  

  即使超弦理論真的正確,那麼為了發現這種「超弦」,恐怕把整個地球都做成一個對撞機都不夠,因此在可預見的未來,無法證明超弦理論的正確性。

  

  楊振寧先生認為,高能物理的高峰期已過。對於中國而言,應當更多的把精力放在生物技術與信息技術上。因為一來,對於新技術頁言,中國可以有一些後發優勢,同時,這些技術投資較小,更可以產生直接的經濟效益。

  

  可惜,由於當是中國人認識上的局限,楊振寧先生的遠見卓識,沒有得到中國人的理解,使得中國人失去了很多機會。

  

  具體到生物技術而言,中國與發達國家,差距不是小了,而是大了,這真是一個慘痛的教訓啊。

擺在超弦理論研究面前的,是一幅廣闊的前景和一條艱難的道路,這是一條熱鬧又孤獨的旅程,它所涉及的問題對年輕的學生和學者,有著強大的魅力,同時它對研究人員的專業素養有著很高的要求。2006年國際弦理論會議,對我們來說,是一次機遇——壯大隊伍、提高水平,並隨著整體水平的不斷提高,在國際上佔有一席之地。我們正在為弦理論的第三次革命作準備,也期待著她的早日到來。

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