物理学超级补丁——弦理论

弦理论的发现源于惊鸿一憋,当时正在日内瓦的欧洲原子核研究委员会 (CERN)原子核实验室苦心作研的两名青年物理学家,加布里埃莱.韦内齐亚诺 (Gabriele Veneziano)和铃木真彦(Mahiko Suzuki ),在科研之余,百无聊赖,随手翻阅一本数学书,而里面一个叫欧拉的贝塔函数引起了他们的兴趣。这个方程是由莱昂哈德-欧拉(Leonhard Euler)在18世纪发现的一个晦涩的数学表达式,它给人一种奇怪的感觉,基于学术直觉,他俩惊讶地发现,这个抽象的数学公式似乎是在描述两个介子在巨大的能量下碰撞的情形。这个“韦内齐亚诺模型”很快在物理学界引起了不小的轰动,足足出现了几百篇论文试图对它进行归纳概括,用以描述各种核作用力。

这个理论的发现太过意外,而且其所阐释的论断太过超前。以至于连普林斯顿大学高等学术研究所的爱德华*威滕(Edward Witten)(弦理论核心奠基人,在理论解释和推广中具有核心地位)自己在评论弦理论时,都感觉发现过程太不可思议,说过:“照理说,20世纪的物理学家本不应有研 究这一理论的殊荣。照理说,弦理论现在还不能够被发明出来……”

弦理论的论述太过颠覆三观,一经推出,在学界引起巨大轰动。在此之前,物理学的重大发现,通常都是由表及里,透过自然表象,去揭示表象背后蕴含的科学规律,前因后果,表里相称,在科学发展的道路上,脚印清晰,可谓脚踏实地,一直跟在自然表象身后紧追不舍。

而弦理论却是理论倒逼现象,其不但能解释现今大多数自然现象,也成功弥补相对论和量子力学的相对不足,而且因为其太过超前,从建立后的很长一段时间内,都没有人能真正搞明白其背后的真正奥义,更别说实际理论应用推广。要知道爱因斯坦的质能方程诞生至今已经将近百年,但以现今的科技水平,和认知程度,还只能理解其理论精髓的百分之十。但这百分之十就已经很夸张的带来了人类的长足发展,核能理论和天空物理至今都受益于这百分之十的理解。而弦理论的衍生品多维宇宙更是夸张,因为其多重性,更加难以让人理解和验证证明。

而弦理论中所证明存在的的亚原子粒子,即使动用我们最强大的仪器也很难追寻其踪迹,为此物理学家们不得不采用一种虽然粗暴却很有效的方法来对它们进行分析,用巨大的能量来把它们打碎。而耗费了几十亿美元来建立巨大的“原子击破器”或称粒子加速器,个个都有 好几英里长,能够产生互相迎头撞击的亚原子粒子束。然后物理学家对碰撞后 的碎块进行周详的分析。这个不胜其烦的痛苦过程的目的,是要建立一系列的 数据,称为“散射矩阵”,或“S矩阵”。这个数据采集过程有关键作用,因为它可 以把所有的亚原子物理信息编集起来,也就是说,一旦了解了 S矩阵,就可以推 论出基本粒子的所有特性。

基本粒子物理学的目标之一,就是要为强相互作用预测出S矩阵的数学结 构。这个目标极其艰巨,一些物理学家甚至认为它已超出了任何已知的物理学 范围。而韦内齐亚诺和铃木真彦只是翻看了一本数学书就猜到了 S矩阵,由此 造成的轰动可想而知。

这个模型与我们迄今为止所见到过的任何东西都完全不同。一般情况下, 当有人提出一个新理论的时候(例如夸克),物理学家就试图对这个理论进行一 些修修补补,改变一些简单的参数(例如粒子的质量或耦合强度)。但是韦内齐 亚诺模型编制得如此精致,哪怕稍稍改动一下它的基本对称关系,就会使整个公 式作废。就像一件制作精美的水晶工艺品,任何改变它的形状的努力都会使它 破碎。

那数百篇论文虽然都只是对它的参数做了一些微不足道的修改,却已经摧 毁了它本来的美,而且至今一个也没能经受住考验。为数不多的几篇现在还能 让人想得起来的论文,都是那些想要理解这个理论为什么居然有效的,也就是那 些试图揭示其对称性关系的论文。物理学家们最终认识到,原来这个理论根本 没有任何可调整的参数。

因有这样一段奇怪的历史,弦理论自从被偶然发现开始的;对于什么样的物理原理才能指导这个理论,物理学家们至今迷惑不解。


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