伶伶十一弦

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1、泠泠十一弦美妙的音乐常被认为是和谐的象征，琴弦也因此常被赋予各种美 好的象征意义。一个物理理论却以一种非常直观的方式类比，它把宇 宙看做是一场交响音乐会，充斥其间的就是一条条细微的琴弦，而这 个理论也因此得名，这就是“弦论”。理论物理学的历史上之前从没有什么理论像弦论这样让这么多 人痴迷，同时也让很多人怀疑。有人认为它其来有自，是一个足以解 释全宇宙的伟大理论，美妙至极，终生投身其间；也有人对此嗤之以 鼻，认为它“连错误都算不上”，只是一个看上去很美的数学形式而 已。无论如何，几十年里，弦论始终拨动着所有物理学家们心中最细 微的那根弦，那就是物理学家们的梦想大统一。在基础物理学中，我们已经有了

2、量子力学和完备的基本粒子模型 描述微观世界： 3 种粒子由 4 种力聚合在一起强相互作用、弱 相互作用和电磁力都可以由基本粒子模型得到解释，还有一种力被孤 立在一旁，这就是引力。很多科学家希望把引力纳人量子力学的范畴 之内，也就是所谓的量子引力，却总是难以如愿。引力由另外一个显 得有些孤零零的理论所解释，这即是爱因斯坦的广义相对论。与量子 力学和基本粒子模型恰恰相反，广义相对论描述的是最宏观的宇宙， 它描述由物质质量引起的宇宙时空的扭曲。至此，人们掌握的物理理 论已经可以颇为准确地描述世界：小到普朗克长度，构成物质的基本 粒子，大到整个宇宙的边缘，我们都能够找到恰当的理论去描述。但 这还远不是

3、物理学家们高兴的时候，对自然的探索还未结束。人们想 知道，为什么微观粒子模型由 3 种基本粒子构成？为什么我们的宇 宙时空是四维的而不是三维或者五维？人们需要明白其根源，需要了 解宇宙的起源。更麻烦的是，描述微观物理的量子力学与描述宏观物 理的广义相对论存在着根深蒂固的矛盾。量子力学描述的微观空间， 是一个颇不平静的景象：真空是不存在的，能量可以从虚无中产生和 消灭。广义相对论描述的却恰恰是一个平滑的时空模型。两种理论各 自据守着微观和宏观领域，量子力学与广义相对论的矛盾被称为是物 理学的“中心矛盾”。科学家们却发现并且发展了一种理论，或者说 是一种数学形式，可以把两者统一起来，这就是至今仍然

4、令人激动不 已的弦论。弦论的发现颇有些妙手偶得的味道。1968 年，在欧洲核 子中心（CERN ）工作的意大利物理学家加布里埃尔韦内齐亚 诺（ Gabriel Veneziano ）在研究粒子强相互作用的时候，据说是“不 小心”翻出了将近 200 年前的欧拉公式并把它运用到了粒子物理 学中，结果他发现，这个古老的公式竟然能很好地推述基本粒子的强 相互作用。这个发现很快就被来自不同地方的 3 个科学家同时证明， 它描述的是在极小弦上震动的能量。这个想法改变了人们对基本粒子 的认识。在几何学中，最基本的单元是点，但是在韦内齐亚诺的理论 中，在几何里最基本的单元是一个个极微小的震动的弦，而弦不同的

5、状态（封闭或是开放）和震动方式就构成了不同的基本粒子。这个新生理论很快就遇到了麻烦。二人们发现，根据这个理论的 数学形式要想同时满足量子力学和广义相对论，承载质量的费米子 要由十维空间的弦构成，承载能量的玻色子要由二十六维空间的弦构 成。我们知道自己生活在三维空间加上一维时间的四维时空中，但是 二十六维是个什么玩意儿则怎么也想不明白。人们也很快就对这个玄 之又玄的理论失去了兴趣，同样喜新厌旧的科学家们被超对称理论吸 引了过去，因为超对称理论很容易就可以融入到标准粒子模型中去。 但是在 20 世纪 80 年代，两位锲而不舍的科学家 来自英国伦敦 大学玛丽女王学院的迈克尔格林(MiCHael Gr

6、een )和来自美国 加州理工学院的约翰舒瓦茨(John SchwARz )发表了他们10 多年来的研究成果。他们结合了超对称理论与弦理论，证明弦理论可 以涵盖 4 种基本作用力和宇宙间的一切物质，甚至连人们苦苦寻找 的引力子也被包含其中，基于超对称理论的超弦理论诞生了。在 1984 到 1986 这 3 年间，数以千计的有关超弦理论的论文发表出来。人 们发现，通过超弦理论，基本粒子模型可以自然地被推导出来，这 3 年被称为超弦理论的第一次“革命”。自此，超弦成为理论物理学中 最令人兴奋的理论，凭借这个形式可以解释从基本粒子到宇宙边缘其 间相差 60 个数量级的尺度中的物理现象，而量子力学中的

7、不确定性 也可以认为是弦在不同纬度之间的扰动产生的。至于为什么我们生活 在四维时空，超弦理论解释说，在宇宙大爆炸的开端，整个宇宙在比 一个基本粒子还小的状态下大爆炸，其中的 4 个维度展开，其余的 维度都蜷缩在极小的尺度上而不被人所察觉。此时的超弦理论由一个 传奇故事开始，衍生出了 5 种不同的理论， 5 种超弦理论都在数学 上无可挑剔，一切看上去很美。故事还在继续。在 1995 年美国南加州大学举办的弦论会议上， 美国数学家爱德华威顿（Edward Witten）运用高超的数学手段向 弦论学家们证明， 5 种超弦理论都只是在不同极端状态下的不同表 达而已，可以把这 5 种理论统一起来形成一种

8、更普通的超弦理论。 在这个理论中，一切物质都是由十一维的弦构成的，每一个费米子都 对应一种玻色子。这个理论不仅描述了宇宙大爆炸最早期的形态（在 当时高温、高密度的状态下，一切现有的物理定律都不适用），还完 美地描述了质量极大体积极小的黑洞理论。这个发现毫无疑问地震动 了整个物理学界，研究超弦理论的科学家们认为，他们终于掌握了描 述整个宇宙的终极理论，这也被认为是弦论的第二次“革命”。而这 个理论的发明者爱德华 威顿命名它为 M 理论，虽然连他自己都 不知道为什么要取这个名字，但是毫无疑问，M理论象征着物理学家 们的梦想 大统一。对于弦论的批评却也从来没有中断过，其中以理论物理学家、诺 贝尔物理

9、学奖得主理查德 费曼的批评最为中肯。他认为，对于一 个理论物理学家而言，最重要的是“能够尽快证明自己是错误的”， 这也正是物理学与数学的主要区别，因为物理学描述的是一个客观世 界，任何物理理论都应该能够被实验所证实或者证伪。弦论正是缺乏 这样一种至关重要的品质，它只是一个数学结构，甚至没有任何的物 理学公式，当人们认为在某个方面弦论可能行不通时，弦论学家们却 认为还有别的可能使弦论成立。费曼不喜欢弦论学家们从来不去做实 验，而只是沉迷于美妙的数学架构（这并非是因为弦论学家们懒惰 而是压根儿没有什么实验能够验证弦论是否正确）。 2004 年因研究 量子色动力学获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家戴维

10、格罗斯 ( DaVid Gross ) 在剑桥大学做关于基础物理学发展的报告中重点 介绍了弦论，他也表示出自己的迷惑：弦论中并没有描述时间，而物 理学本身就是一门预测未来的科学；没有了时间观念的物理学是否还 算是物理学，世界的意义何在，他也弄不明白。1999 年，哥伦比亚 大学的物理学家布莱恩格林(Brian Greene )出版了一本描述 弦论的畅销书 优雅的宇宙 ( The ELEGENT ) ，英国广播电台( BBC ) 甚至马上制作了 3 集同名的纪录片来讲述弦论。在这部纪 录片对弦论学家们的访谈中，弦论学家对这个理论的主要信心大多来 自其美妙的数学形式，这也正反映出他们的世界观：整个

11、宇宙是完整 的，在数学形式上是美的。然而，一个优雅的物理理论往往具有优雅 的数学形式，但一个优美的数学形式却未必可以描述客观世界。在欧 洲核子中心的大型重子对撞机( LHc )实验中，并没有观测到超弦 理论描述的微型黑洞。更重要的是，超对称理论预言的各种超粒子至 今也没有找到，尽管实验还要持续到 2012 年底。但是现在很多物理 学家认为这已经证明了超对称理论并不成立 如果超对称理论不 成立，那么建立之上的超弦理论自然也就难以成立。不只是弦论学家们，大众也希望真的可以证明超弦理论就是理 论”人们迫切地需要证据。在2011年LHC的一份报告中说，LHC 的实验“可能可以辨别不同版本的弦理论，甚至

12、可以判断这个理论是 否在正确的方向上”，这句话甚至被误认为是弦理论的某些预言已经 被实验证实。英国的 星期日泰晤士报 今年 5 月 8 日报道的 新闻标题是 准备好，我们也许很快进人一个新宇宙 ( STAnd BY， we May soon enter A New UnIVERSE ) ，但是与希望的相反， 除了超对称理论受到强烈怀疑，至今也没有任何实验支持弦理论。一切都还没有结束，弦理论仍然使很多数学家和物理学家着迷， 但是它的发展历程也已经足以让科学家们意识到，完美的形式和统一 的理论固然令人着迷，却未必可以用来描述我们生活于其中的这个宇 宙。也许东方智慧对于完美更有些不同的理解，残破未必不是完美， “乃是应不全之奥妙也，岂人力所能与耶！ .(感谢黄钟女士为本文收集整理背景资料做出的努力)