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《时间的形状》超弦理论

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上帝有时候对人类挺好,经常会给我们一点好运气,弦理论的发现也是这样。物理学界流传着这样一句话——“弦理论是21世纪的理论偶然落到了20世纪,被好运气的物理学家们拾到了。”

1968年,有一个叫作维尼齐亚诺(Veneziano,1942- )的年轻意大利物理学家,他就职于大名鼎鼎的欧洲核子研究中心(简称CERN,这个机构出过很多牛逼哄哄的人物,包括互联网之父蒂姆·伯纳斯·李,我们前面提到的那个全世界最大的粒子加速器LHC也是这个机构建造的)。大多数物理学家都是数学家,这个维尼齐亚诺也不例外,他对数学是相当有兴趣。有一天,他闲来无事开始把玩两百多年前大数学家欧拉发明的一个函数——所谓的欧拉β函数,即,给一个x值,算出一个y值,再给一个x值,再算出y值,然后写在纸上,就好像小孩子孜孜不倦地把积木摆来摆去一样。你可能觉得物理学家真奇怪,这有啥好玩的?我们大多数人都对数字很讨厌,唯恐避之不及,所以我们大多数人就只能当当普通老百姓,当不了神奇的“家”。

维尼齐亚诺玩着玩着,突然发现眼前这些数字怎么越看越熟悉。物理学有时候就会出现这种惊奇和意外,维尼齐亚诺手中的这些数字,让他突然就联想到了全世界各地汇集过来的粒子对撞中产生的大量的原子碎片的各种数据,它们似乎有着极其惊人的关联。冥冥之中,似乎两百多年前的欧拉获得了上帝的启示,写下了这个欧拉β函数;历经两百多年的时空穿越,维尼齐亚诺偶然发现了这个函数的惊人秘密。但问题是,这个函数虽然很管用,但是没有人能知道这个函数到底代表着什么物理意义,就好像一个小孩背会了九九乘法表,可以轻松地帮奶奶算出菜价,但是小孩却完全不知道这个像歌谣一样的九九乘法表是怎么来的,表示什么意义。维尼齐亚诺面临的尴尬就跟这个小孩是一样的。

要把一团乱麻给理成一根线,最关键也是最难的是要找到线头。现在,揭示微观世界秘密的线头被找到了,就是这个欧拉函数。两年之后,芝加哥大学、斯坦福大学、玻尔研究所的几位科学家几乎同时发现,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们之间的核作用力就能精确地用欧拉函数来描写。这根弦非常非常小,小到在我们现有的所有实验条件下,它表现出来的都仍然像一个点,实在太小了。

然而,弦理论的这条路非常坎坷,似乎一堆刚刚冒出一点火星的柴堆,还没窜出第一个火苗就被当头浇了一盆凉水。弦理论最初的几个预言被实验数据无情地推翻,全世界的物理学家们在一片唏嘘中,都不情愿地把弦理论扔进了废纸篓,只有谢尔克、格林和施瓦兹等几个少数物理学家仍然没有放弃。他们觉得弦理论所展现出来的数学之美实在是太让人印象深刻了,哪怕在实验数据上有瑕疵,他们也不愿意放弃,他们愿意去修正理论而不是将它扔到垃圾桶中。经过十多年的努力,终于在一篇里程碑式的文章中,他们解决了矛盾,并且向世人宣告弦理论有能力成为万物理论。这篇文章在物理学界激起千层浪,许许多多物理学家放下手头的工作,激动地阅读格林和施瓦兹的文章,读罢,很多人都马上停掉了手中的研究项目,转而一头奔向这个终极理论的战场,有什么事情能比得上探求统一全宇宙的理论更令人激动呢?

1984年至1986年,出现了物理界中的“第一次超弦革命”。为什么在弦理论前面又增加了一个“超”字呢?格林和施瓦兹认为每一个基本粒子必须要有一个“超对称”的伙伴,电子有一个超伙伴叫作超电子,光子的超伙伴叫作光微子等等。弦理论和超伙伴的假想一结合,立即发挥出巨大的威力,就好像脱去普通西装,露出内裤外穿的超人本尊。从此,弦理论升级为超弦理论。超弦理论认为,任何基本粒子都不是一个点,而是一根闭合的弦,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。我们这个宇宙是一个十维的宇宙,但是有六个维度紧紧蜷缩了起来。就像远远地看一根吸管,它细得就像一条一维的线,但是当我们凑近一看,发现它其实是一根三维的管,其中的二维卷起来了。那六个维度的空间收缩得如此之紧,以至于必须要放大一亿亿亿亿多倍(1后面34个零)才能发现,其实所有的粒子都不是一个点,而是一个六维的“橡皮筋圈”,不停地在空间中振动,演奏着曼妙的音乐。

【图10-3】超弦假想图

从第一次超弦革命爆发到现在,已经过去了二十多年,物理学界又有了很多很多的发现。例如从超弦理论中又派生出M理论,现在正热门。这个理论把十维宇宙又扩展了一维,变成了十一维的宇宙(十个空间维加上一个时间维)。再往下讲就不是本书力所能及的了,毕竟我们这仅仅是一本介绍相对论的闲书,甚至都不能称为一本严谨的科普书。如果你对超弦理论还想了解得更多,推荐阅读美国人B·格林写的《宇宙的琴弦》。