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超弦理论能成为万有理论吗?(中)

(2019-06-21 18:28:11)
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杂谈

分类: 科幻科普

文/陈思进

我在上文《超弦理论能成为万有理论吗?(上)(《科普时报》2019年05月17日第3版)中,谈了弦理论的缘起,本篇继续往下谈。

夸克模型中有一个物理现象,描述了夸克不会单独存在,而由于强相互作用力,带色荷的夸克被限制与其它夸克在一起(两个或三个组成一个粒子),使得总色荷为零,被称为夸克禁闭。

后来,出现了一个物理大师John Schwarz(约翰•施瓦茨,犹太裔美国理论物理学家,加州理工学院教授,最早从事弦理论研究的理论学家之一),将弦论模型正式引入到夸克模型。首先,对于夸克为什么“禁闭”,施瓦茨解释说,因为夸克之间是由弦连接的,这个力巨大到无法将它们分开。

夸克禁闭非但在当时是未解之谜,迄今亦复如是,不过,那时施瓦茨至少能给出一个理由。于是,弦理论自然地走入了物理学家们的视野,渐渐地受到了欢迎。

但出现了一个问题,根据施瓦茨的计算,处于基态的弦应该具有虚质量(注:基态(Ground state)是指在正常状态下,原子处于最低能级,这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态,是最低能量态,除此之外都叫激发态),虚质量就是质量的平方得到的是负数。

我们知道0质量的光子速度最快,也就是光速;而虚质量的粒子就是所谓的快子,它的速度比光速还快,只要速度不降至光速以下就行了。虽然这并不违背狭义相对论,但是谁也没有见过快子,因为太过抽象了。

不仅如此,如果想要弦理论成立,在数学上它必须得26维。26维?!可信吗?太夸张了吧!

到了1971年,一个称为超对称的理论诞生了,和质子与中子因为同位旋对称,所以性质相像一样;费米子与玻色子之间,应该也具有某种对称性,这就是所谓的超对称。

而这个对称性导致的结果,就是每个粒子都应该有自己的超伴子,也就是说费米子应该有它的玻色伴子,玻色子也应该有它的费米伴子。这就相当于把基本粒子的数量翻了一番(不过,那些伴子和快子一样,物理学家做了许多试验,甚至一个都没有看见)。

超弦理论能成为万有理论吗?(中)

 

紧接着,随着量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD,描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论,是粒子物理标准模型的一个基本组成部分,多年来量子色动力学已经收集了庞大的实验证据)的诞生,这个诡异的弦理论和超对称理论就被物理学家们抛弃了。

只有施瓦茨锲而不舍,他在1974年借鉴了超对称的思想又尝试用弦理论来描述费米子。在这个数学模型中,会自动出现一个质量为0自旋为2的粒子。同样,这个粒子在人们发现的粒子家谱中,也找不到相应的位置。于是,施瓦茨便开始想办法,尝试如何在数学上避免这个新粒子的出现。

到了1980年,施瓦茨和迈克尔•格林(Michael Green,英国物理学家,弦理论开创者之一)合作,终于将弦理论和超对称理论统一起来,提出了第一个版本的超弦理论!

最关键的是,他俩发现用超弦理论来描述强力总是和实验不符,会出现无穷大的结果;不过,用超弦理论来描述引力就不会无穷大了。于是,人们终于明白:这个质量为0自旋为2的粒子,正是用来传递引力的引力子。

当时,物理学家正发愁没有一个理论来统一引力,忽然冒出来一个从微观角度出发,貌似可以描述引力的理论,大家都很愉悦!并且,他俩在数学上将26维降到了10维,而通过10维中的弦的不同振动模式,就可以得到各种粒子了。也就是说,所有基本的粒子,如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子,实际上都只是极短极短的一维弦——宇宙弦(普朗克长度1.6x10^-33厘米)的不同振动模式而已。

写到此,顺便介绍一下堪比数学大师黎曼的数学天才斯里尼瓦瑟•拉马努金。

1887年,拉马努金出生于印度,少时坎坷,甚至没有通过升高三的考试。26岁那年,他给著名英国数学家戈弗雷•哈代(Godfrey Hardy)写了一封信,信中包含了120个定理。

奇妙的是,这位贫穷孤独的印度小哥,完全没有处于领先地位的欧洲数学界的任何研究资讯,纯粹凭借个人才智、按照自己的方法,重新推导出欧洲百年数学史的所有重要定律(据他说是娜玛卡尔女神在梦中赐给他的灵感)。

起初,哈代对名不见经传的拉马努金的来信毫不在意,当拉马努金提供了其中一些发现的证明之后,哈代便把拉马努金带到了英国,带领他继续研究。

超弦理论能成为万有理论吗?(中)

印度数学天才拉马努金

拉马努金最终的研究成果,包含了三册四百多页的笔记,其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数(Ramanujan funcation),这是一个奇特的包含高达24次乘幂的数学式。这些数学式证明:弦论只有在10维中才是自洽的。也就是说,拉马努金这位数学天才,给了超弦理论数学上的解释:产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙,它的维度数一定是十!

到了1984年,施瓦茨和格林又提出一种新的对称SO(32)理论,它可以消除所有的畸变和无穷大,让人们再次看到超弦理论的厉害之处。至此,超弦理论被物理学家们视为万有理论的最佳选择,更多的物理学家加入了超弦理论的热潮之中,爆发了第一次超弦革命。

下篇再接着谈。

2019年06月04日写于多伦多

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