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編注：這篇文章與其說是單獨(dú)介紹超弦理論的，還不如說是當(dāng)代物理研究歷程的真實(shí)演義。對(duì)于普通大眾來說，我們對(duì)自然科學(xué)大多只有零星的認(rèn)識(shí)，我們無法理解科學(xué)家在做些什么，以及科學(xué)家為什么要這么做。動(dòng)機(jī)，這種東西非常重要。此外，為了讓我寫的東西更好理解一點(diǎn)，我覺得我非常有必要不直接切入超弦理論，但是這樣一來，難免寫起來有點(diǎn)篇幅受限。我這幾天，一連寫了好幾篇關(guān)于弦論的，這一篇就算是一個(gè)收?qǐng)霭?，以后有機(jī)會(huì)我們?cè)儆懻?。我也想在我接下來的時(shí)間里，在寫現(xiàn)代物理的內(nèi)容同時(shí)，也嘗試寫一些關(guān)于生命起源、生命進(jìn)化以及社科、心理類的東西，如果大家感興趣的話，可以訂閱一下，我們一起學(xué)習(xí)、一起交流、一起前行。 1、《超弦理論：大師遠(yuǎn)去后的人類再一次的嘗試！》 正文： 麥克斯韋是偉大的，毋庸置疑；普朗克是偉大的，毋庸置疑；愛因斯坦更是偉大的，更毋庸置疑。但是，偉人在給我描繪美好圖景的同時(shí)，也會(huì)讓我們看到美中不足。愛因斯坦在他晚年時(shí)，一直努力嘗試將廣義相對(duì)論和量子論進(jìn)行統(tǒng)一，但可惜的是，在他去世時(shí)也沒能得到一個(gè)結(jié)果！ 愛因斯坦為什么要進(jìn)行這項(xiàng)工作？這個(gè)的確需要解釋一下，在那個(gè)時(shí)候，人們隨著科技水平的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了新量子論下“測(cè)不準(zhǔn)”問題。什么是測(cè)不準(zhǔn)，這是指原子的運(yùn)動(dòng)軌跡沒法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和預(yù)測(cè)。剛開始，人們以為這是誤差導(dǎo)致的，直到在其他粒子的行為中也看到這種現(xiàn)象時(shí)，人們才發(fā)現(xiàn)這是一種確定現(xiàn)象！對(duì)于這種現(xiàn)象的描述，廣義相對(duì)論是吃力的。即使廣義相對(duì)論創(chuàng)造性的將時(shí)間概念加入到之前“靜止”的空間中，其也是在經(jīng)典物理的范疇內(nèi)解釋宇宙現(xiàn)象。即使廣義相對(duì)論看起來是那么完美（近乎經(jīng)典物理的極致版本），也不可避免陷入經(jīng)典物理下的困境。經(jīng)典物理的宇宙，時(shí)間是個(gè)單一不變的量，物體和粒子的行為只有一種歷史模式；相反，量子論下的微觀粒子的行為卻有無數(shù)個(gè)歷史模式。在解釋“測(cè)不準(zhǔn)”問題上，顯然，量子論要占據(jù)上風(fēng)。但是，量子論也遇到類似的難題，量子論無法解釋廣義相對(duì)論下引力的真實(shí)本質(zhì)。于是有意思的現(xiàn)象出現(xiàn)了，統(tǒng)一的事物，居然要用兩套看似完全不同的理論進(jìn)行解釋。愛因斯坦正是在這種背景下，嘗試將二者進(jìn)行統(tǒng)一的，只不過天妒英才，他走的太早！重?fù)?dān)自然也要順延給后來者。 所以，我看到一直從上世紀(jì)中期到現(xiàn)在，現(xiàn)代物理都在努力解決這個(gè)分歧?？茖W(xué)家瘋狂地對(duì)宏觀世界進(jìn)行量子化理論研究，這個(gè)理論研究成就，就是著名的量子場(chǎng)論。我們知道，場(chǎng)是一種波，無論是廣義相對(duì)論還是電磁學(xué)都是場(chǎng)論，而量子論下的世界是粒子，這種完全看似矛盾的現(xiàn)象但是確確實(shí)實(shí)發(fā)生在同一個(gè)宇宙身上。 我們知道，自然中存在四種基本力： 1、引力：萬有引力，簡(jiǎn)稱引力，引力發(fā)生在任何兩個(gè)物體之間，引力雖然很小，但是作用范圍卻極遠(yuǎn)。 2、電磁力：電荷之間的相互吸引力，相同電荷相互排斥，相異電荷相互吸引。 3、強(qiáng)核力：簡(jiǎn)稱強(qiáng)力，將原子核內(nèi)質(zhì)子和中子束縛在一起的力，此外，還包括束縛質(zhì)子和中子自身的力。 4、弱核力：簡(jiǎn)稱弱力，是原子核發(fā)生裂變和聚變時(shí)產(chǎn)生的力，是可以改變粒子但不致使原子核發(fā)生崩解的力。 力這種概念，是場(chǎng)論，如果能將上述中的4種基本力都能用量子論來表述，那宏觀世界的量子化就得到成功，現(xiàn)代物理將完全擺脫經(jīng)典物理對(duì)它的限制，自然我們也會(huì)有了一個(gè)統(tǒng)一的理論，該種理論可以同時(shí)解釋宏觀世界和微觀世界。 于是，第一個(gè)量子化過程開始了，它是電磁力。在1940年，物理學(xué)家費(fèi)恩曼（這個(gè)人真是一位天才?。┖鸵恍┛茖W(xué)家將電磁力的作用機(jī)制描述為微觀粒子間類似相互傳球的過程。費(fèi)恩曼認(rèn)為，場(chǎng)其實(shí)就是一種粒子，這種粒子叫做玻色子，電子之間力的作用就是玻色子在電子之間相互跳躍帶來動(dòng)量（產(chǎn)生力）并同時(shí)被吸收的過程，而電子等這類物質(zhì)被稱為費(fèi)米子。在這個(gè)解釋中，力這種場(chǎng)被完美的粒子化，于是在接下來的若干年的實(shí)驗(yàn)中，費(fèi)恩曼準(zhǔn)確的預(yù)言了一系列現(xiàn)象，這使得費(fèi)恩曼家喻戶曉，而這個(gè)費(fèi)恩曼創(chuàng)造的理論還有一個(gè)非常好聽的名字：量子電動(dòng)力學(xué)（QED）！如果故事到這就結(jié)束了，那一切該多好，但是宇宙是非常有意思的，在你以為一切都已經(jīng)非常完美的時(shí)候，他就得讓你明白你的想法其實(shí)只是一種偏見。QED雖然解釋了一系列現(xiàn)象，但是它還是很難處理數(shù)學(xué)上的問題，即使費(fèi)恩曼創(chuàng)造性的發(fā)明了費(fèi)恩曼圖，這也仍然難以解釋無數(shù)歷史模型下的電子在玻色子交換過程中產(chǎn)生的無窮大問題。在這種情況的推導(dǎo)下，電子的電荷和質(zhì)量居然會(huì)出現(xiàn)無窮大的情況，這顯然是與實(shí)際不符的！于是，QED被迫進(jìn)行重正化，所謂重正化，實(shí)際上就是在無窮大的結(jié)果中減去一個(gè)無窮下的量，并得出一個(gè)多余的常量，這個(gè)常量就是電子的質(zhì)量和電荷。幸運(yùn)的是，人們成功的進(jìn)行了重正化。重正化雖然解決了無窮大的問題，但是在數(shù)學(xué)上卻給人無限質(zhì)疑，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，電子的質(zhì)量和電荷幾乎可以是任何數(shù)值。不過，總體而言，這種重正化還算是成功的，換句話說，電磁力的量子化基本完成。 于是，在接下來的幾十年中，科學(xué)家們進(jìn)行了對(duì)強(qiáng)力、弱力的量子化過程，結(jié)果也可以算是成功，尤其是在對(duì)弱力的量子化過程中，弱力被很好地進(jìn)行了解釋和預(yù)言，而它的研究者薩拉姆和溫伯格也成功問鼎諾貝爾獎(jiǎng)。如果說這3種力的量子化過程算是艱難，那比起引力的量子過程簡(jiǎn)直是小巫見大巫！由于量子論中存在“測(cè)不準(zhǔn)”原理，如果將場(chǎng)的數(shù)量值、變化速率與粒子的位置、速度對(duì)應(yīng)起來的話，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)的數(shù)量值和變化速率中的任何一個(gè)變量被測(cè)的越準(zhǔn)確，則另一個(gè)變量就會(huì)變得越不準(zhǔn)確，這對(duì)于研究簡(jiǎn)直就是一種災(zāi)難！但是在這個(gè)嘗試過程中，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)結(jié)論：宇宙不存在真正意義上的真空！因?yàn)檎婵站鸵馕吨鴪?chǎng)的大小和它的變化速率二者都恰好為零，但是由于測(cè)不準(zhǔn)原理，宇宙不允許場(chǎng)的大小和它的變化速率二者都是精確的，所以宇宙空間不存在絕對(duì)的真空。但是，它可以有一種最小能量狀態(tài)，我們姑且稱其為真空。但是這種真空是在量子擾動(dòng)或真空波動(dòng)的范疇內(nèi)的，換句話說，粒子和場(chǎng)在存在與不存在之間來回轉(zhuǎn)換。我們可以把真空波動(dòng)想象為幾對(duì)粒子，它們?cè)谀硶r(shí)刻一起出現(xiàn)，然后分開，最后彼此湮滅。費(fèi)恩曼，把他們的這種關(guān)系稱為閉環(huán)！這些粒子被稱為虛粒子，與我們世界的真實(shí)粒子相對(duì)應(yīng)，可喜的是，這些虛粒子已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所捕捉到了。但問題是，這些虛粒子也具有能量，并且數(shù)量無限多，自然能量也無限多。于是，無窮大的問題再一次出現(xiàn)在這個(gè)過程中，此時(shí)除非能夠進(jìn)行重正化，否則引力量子化進(jìn)程又會(huì)陷入困境。但是后來證實(shí)，重正化根本無法進(jìn)行，因?yàn)閺V義相對(duì)論中不存在足夠多的可重正化參數(shù)。在這種情況下，如果此理論還要被看作是合理的話，它只有一條路可走，即把所有的無窮化從理論中剔除。 1976年人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能解決這個(gè)問題的方案。它被稱為“超引力”，其中的“超”不是說這種理論超級(jí)厲害，也不是一種特地附加的前綴，“超”指的是對(duì)稱性。我們知道，如果一個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)在某種特定變換下，它能保持不變，那么它就具有對(duì)稱性。舉例而言，天空中的正方體，我們將正方體進(jìn)行180度的反轉(zhuǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正方體在性質(zhì)上和沒有反轉(zhuǎn)前一樣，這就是對(duì)稱性。超對(duì)稱性，指的是一種更加微妙的對(duì)稱，它可以不受空間變換的影響。在超對(duì)稱被提出的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，力粒子和物質(zhì)粒子（也就是力和物質(zhì)本身），事實(shí)上是同一事物的兩面。這就意味著，每個(gè)物質(zhì)粒子，比如電子、夸克應(yīng)該具有與其相配的粒子。這就使得解決無窮化成為一種可能。 “超對(duì)稱”概念的建立，就來源于弦理論。根據(jù)弦理論，粒子不是點(diǎn)，而是具有長(zhǎng)度但沒有高度和寬度的振動(dòng)能量線。弦論也導(dǎo)致無窮，但是人們認(rèn)為在其正確的版本中，所有的無窮都會(huì)被取消。除此以外，弦論還有一個(gè)非常亮眼的特征：弦論要保持連貫的話，他必須擁有10到11個(gè)維度。這是一個(gè)令人震驚的結(jié)果！我們知道目前可感知到的維度只有4維，假如它正確，那其他的維度去哪了，為什么我們覺察不到。對(duì)此，弦論認(rèn)為，在宇宙大爆炸的過程中，前四維度隨著空間、物質(zhì)、能量一起突破了原先很小的尺度范圍，而其他維度則繼續(xù)被卷曲在原來那個(gè)微小尺度內(nèi)。但是弦論對(duì)于這些額外維度的卷曲方式似乎沒有得到統(tǒng)一，目前至少存在五種弦論學(xué)說以及數(shù)百萬種卷曲方式，這種情況對(duì)于相信弦論的人來說是很尷尬的，但是，到了1994年，人們開始發(fā)現(xiàn)不同的弦論以及額外維度的不同卷曲方式，其實(shí)就是描述四維時(shí)空中的同一現(xiàn)象的不同方法?，F(xiàn)在，弦論學(xué)家，已經(jīng)確信五種不同的弦論僅僅是一個(gè)更基本理論的不同近似。而這個(gè)更為基本的理論稱為M理論，M理論可以認(rèn)為是超弦理論的更高級(jí)版本，M代表什么，有很多種說法，但不得不提M理論有另一個(gè)名稱，膜理論。但是命名M的威頓自己說，他沒有按“膜”的英文大寫字母M來解釋它，他原本提倡這種理論叫M理論，其實(shí)M是Mother的意思，意思就是所有宇宙事物的母親，萬物之理論（TOE= Theory of Everything）！ 從這一路走來，一路艱辛相伴。萬物理論的前提假設(shè)，只是人們傾向的認(rèn)為，統(tǒng)一的事物應(yīng)該可以用一種理論來描述。但是，這是否真的正確？這真是一個(gè)值得爭(zhēng)論的問題。但是，為什么一路走來，很多弦論科學(xué)家在猶豫之后，還一直堅(jiān)持了下來呢？堅(jiān)持對(duì)于科學(xué)家是需要膽量和勇氣的！我想，一方面是因?yàn)樗麄冊(cè)?種力的量子化過程中看到了世界的統(tǒng)一性，而且各種跡象也傾向地表明了這種思想的正確性。但是，世界就是世界，他不會(huì)為了人類而改變自己。在這種前提下，我們只能去認(rèn)識(shí)更多，發(fā)現(xiàn)更多。但是，我們始終傾向認(rèn)為，宇宙的本源應(yīng)是一種無比簡(jiǎn)單純粹的規(guī)律法則，只是我們還沒發(fā)現(xiàn)而已，而萬物理論絕對(duì)是對(duì)此進(jìn)行沖擊的一次偉大嘗試！ （完） 2016/5/26 |
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