這根看不見的弦，可能隱藏了宇宙的終極奧秘

2020-08-13 世界頂尖科學家論壇


8月10日，國際理論物理中心（International Centre for Theoretical Physics，簡稱ICTP）宣布，將2020年狄拉克獎授予三位傑出物理學家——蒙彼利埃大學的安德烈·內沃（André Neveu）、佛羅裡達大學的皮埃爾·拉蒙（Pierre Ramond）、以及羅馬第一大學的米格爾·維拉宿（Miguel Virasoro），以表彰他們「對弦理論的創立和形式化表述所作的先驅性貢獻，將新的玻色和費米對稱性引入物理學」。


2020年狄拉克獎得主。圖｜ICTP

弦理論被視為現今最有可能成為物理學大統一的理論；但由於缺少實驗實證，弦理論也不斷受到挑戰和質疑。今日，世界頂尖科學家論壇專訪復旦大學物理系研究員、劍橋大學理論物理系博士孔令欣，請她對弦理論做科普性的闡釋。

01

什麼是弦理論？


「上世紀60年代，物理學家通過對撞機，發現了很多介子，他們也注意到介子的自旋和重量有一個非常簡單的線性關係。大家就問，什麼樣的理論可以來解釋這些觀測結果。


「義大利物理學家加布裡埃爾·維尼齊亞諾（Gabriele Veneziano）根據實驗結果，『猜』了一個數學方程。後來的科學家對維尼齊亞諾的方程做出了物理的解釋，假設比粒子更小的基本單位並不是一個點，而是一根弦，好比小提琴的弦。計算它們的相互作用可以重構出維尼齊亞諾的數學公式。

「這些不同的弦有不同的震蕩頻率，粒子的重量和弦的震蕩頻率有關，粒子的自旋也跟弦的震蕩模式有關，計算同時重構出自旋和質量的線性關係。弦理論就是這樣誕生的。」孔令欣介紹說。

弦理論數學需要6個額外的維度。圖｜Penn Today

弦可以被視為能量的微絲，它們以不同的模式振動。就像琴弦的不同振動模式產生不同的音符一樣，弦的不同振動狀態產生不同的基本粒子（通過賦予其質量、電荷等性質），如電子、中微子。

作為弦理論的開創者，維尼齊亞諾獲得了2014年狄拉克獎。

02

「開弦」、「閉弦」和「超弦」

維拉宿是維尼齊亞諾的合作者之一，之後進行了獨立研究。受維尼齊亞諾「開弦」模型的啟發，維拉宿發展了他自己的模型，後來被稱為「閉弦」模型。打比方而言，開弦就像一段繩子，而閉弦則像環形的橡皮圈。

維尼齊亞諾和維拉宿的成果被稱為玻色弦理論，也就是說，它只描述了一類叫作「玻色子」的粒子。

玻色子是自旋為整數（0，1，2，……，以普朗克常量為單位）的粒子，如光子、引力子、希格斯玻色子。還有一類粒子被稱為費米子，是自旋為半整數（1/2，3/2，5/2，……，以普朗克常量為單位）的粒子，比如電子、質子、夸克。

玻色子如何與其他類別的亞原子粒子、強子和費米子配合。圖｜維基百科


「內沃和拉蒙所做的貢獻，就是把弦論擴展到了費米子，也就是超弦理論。這樣弦理論就可以解釋包括引力在內的所有基本粒子，成為物理的大統一理論。」孔令欣介紹說。

弦理論試圖將描述引力的愛因斯坦廣義相對論和描述物質基本組成的量子力學結合起來。弦理論在解決基礎物理中的一些問題上發揮了十分重要的作用，並已應用於其他各種領域，如黑洞、早期宇宙、凝聚態物理，等等，而且促進了純數學的重大發展。

03

從最微觀到最宏觀的尺度驗證弦理論

「當然，現在對弦理論的最大疑問，是它能否準確描述各種物理現象呢？現在仍然是一個問號。因為有各種理論來解釋，弦理論是其中之一。我個人認為，哪怕弦理論本身不是終極理論，它也是一個很重要的橋梁。」孔令欣說。


弦理論是一個試圖解釋一切的假想的想法。圖｜Live Science


由於弦的尺度實在太小，現有的工具無法直接觀測，也很難通過實驗得到驗證，這也是對弦論的主要質疑。對此，孔令欣認為，可以從最微觀和最宏觀的尺度去驗證。


「粒子對撞機是一個方向。通過理論計算的特定模型，給出對撞機實驗結果的預言。建模跟實驗結果吻合的話，就能驗證弦理論。但是目前進展不大。」


「另外我們還可以從宇宙學的角度去尋找弦。宇宙大爆炸的極端環境，有可能遺留了一些關於弦的線索，我們通過天文觀測去尋找這樣的東西。」孔令欣介紹說。

04

狄拉克獎簡介

ICTP狄拉克獎為紀念20世紀最偉大的物理學家之一、1933年諾貝爾物理學獎得主保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）而設立，於1985年首次頒發。該獎項被視為理論和數學物理領域的最高榮譽，多位狄拉克獎獲獎者後來獲得了諾貝爾獎、菲爾茲獎和沃爾夫獎。


狄拉克獎章是ICTP在1985年為紀念英國物理學家狄拉克而設置的年度性獎項。圖｜IOP

世界頂尖科學家協會會員、諾貝爾物理學得主大衛·格羅斯（David Gross）、弗朗克·維爾切克（Frank Wilczek）、鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）等，都曾獲得狄拉克獎。

編輯｜Kai

責編｜小文


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