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十个问题,带你认识弦理论
2017-1-7 6:57:00           作者: 中国物理学会期刊网

  美国时间12月4日晚上,突破基金会将今年的“基础物理学突破奖”颁发给了三位弦理论家,共享300万美元。三位获得者分别是Joseph Polchinski,Andrew Strominger 和 Cumrun Vafa,以表彰他们在弦理论及其对黑洞、宇宙的意义方面取得重大突破。

  

  虽然弦理论还未获得实验验证,但突破基金会的创始人Yuri Milner表示:“物理学奖是对智力成果的一个肯定,有时候这可能是提出一个很有创见性的问题,并不是只颁发给给出答案的人。这是和诺贝尔奖的一个重要区别。”

  究竟什么是弦理论?我们通过以下一些问题带你认识21世纪最伟大的理论之一。

【1. 什么是弦理论?】

  

  一维的弦构成了宇宙万物。

  弦理论的基本概念其实非常的简单。回到古希腊时期,人们就一直在思索着物质是由什么构成的?如果我们无限地分割某个东西,我们会得到一个最基本不可在分割的东西吗?我们现在知道,如果我们这么做的话,我们会得到分子、原子、亚原子。但这是终点吗?弦理论家认为不是。所有的我们今天所知道的基本粒子,比如电子、夸克或中微子,都是由一种弦组成的。正如小提琴琴弦不同的振动方式可以奏出不同音高一般,基本粒子也是通过弦的不同振动状态变成电子或夸克的。

【2. 是谁提出弦理论的?】

  弦理论有一个不寻常的历史。在1960年代,Gabriele Veneziano想要知道在原子核内的粒子的行为,以及构成中子和质子内的夸克是如何束缚在一起的。他找到了一个方程,精确地符合当时的数据,但他并不是太清楚他的数学方程究竟是什么意思。在他之后Leonard Susskind和Holger Nielsen 等人详细分析了该数学方程,他们发现方程可以描述振动的弦。因此,弦理论完全是研究强核力的一次意外发现。

【3. 弦究竟有多小?】

  

  弦的大小。

  对弦的最直接验证方法是利用一个足够强大的显微镜,去看在原子里面是否有弦。但问题是弦是非常小的,大约10^-35米,这是什么概念?我们知道构成我们身体的原子是非常小的,如果把原子放大到可观测宇宙那么大,同时把弦也放大到同样的倍数,那么弦只有一颗树那么大。因此想要直接观测弦那将是一个巨大的挑战。

【4. 弦理论认为空间不止三维?】

  

  左边为费米子,右边为玻色子。

  在大多数情况下,你可能听到的都是“弦理论”。但其实弦理论是从玻色弦理论发展到超弦理论。我们知道基本粒子包括玻色子(光子、胶子等)和费米子(电子、夸克等)。最早期的弦理论叫玻色弦理论,只包括了玻色子;而超弦理论(加入了超对称性)不仅以弦的振动解释了玻色子,还解释了费米子。玻色弦理论认为空间维度为二十五维,超弦理论则必须在九维空间才合理。现在我们说起弦理论的时候都指超弦理论。弦理论的维度是从一个不可思议的公式推导出来的,详见:《1 + 2 + 3 +.....=-1/12?》

【5. 什么是M-理论?】

  

  M理论、五种超弦理论与超引力之间的联系。© Wikipedia)

  在1995年国际弦理论会议上,威腾在他的演讲中证明,通过一个高维度的引入,本应无比复杂的超弦理论(九维空间)变成了简单的超引力理论(十维空间)。正当与会者都以为他的结论已经是演讲的高潮时,威腾说道:

  “Oh,there is one more thing.”

  在1990年代中期之前,物理学家找到了五种不同的弦理论,它们相互分离并没有联系。而威腾在演讲的最后指出,他发现这些模型之间存在一种所谓对偶性的关系网。这些对偶性显示,所有这些模型本质上是只不过是同一基本理论的不同表述。他将这个神秘的理论命名为“M理论”。威腾的发现引发了“第二次超弦革命”。

【6. 什么是膜?】

  

  © Wikipedia)

  在九维的超弦理论中,基本单元是一维的弦。而弦理论家在求解十位空间内的超引力理论的方程式之后,发现基本的解是二维的膜(brane)。我们通常将这些东西命名为p-膜,比如 p = 1 的膜是弦,p = 2 的膜是面等等。

【7. 弦理论的目标是什么?】

  弦理论的目标是为了完成爱因斯坦开始的统一场论。我们知道量子力学和广义相对论在微观和宏观尺度都出色的发挥着自己的作用,但是当我们试图将它们结合的时候就会出现很多问题,而弦理论就是为了协调这两个理论,将它们统一在一起。弦理论所要做的就是将我们所理解的物质、能量、时间和空间都统一到一个数学框架中,如此我们就可以用一个理论描述世间万物。

【8. 弦理论遭遇的主要质疑是什么?】

  虽然弦理论可谓是最强大最艰深的一个理论,但它仍然遭受很多批评,其主要原因就是还没有实验能够验证,如果它没有提出可验证的预言,那么我们就无法验证它是对的或错的。要知道,一个好的科学理论除了能够重复旧理论的成功,解释当前遇到的问题,更重要的是做出可检验的预言。

【9. 弦理论有做出预言吗?】

  

  左边为标准模型粒子,全部都已经发现;右边为超对称粒子,还未发现。(© DESY)

  弦理论的确有一些预言,比如超对称。超对称理论认为每一个基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。所有的费米子(比如夸克和轻子)都有一个玻色子的超对称伙伴(比如超夸克和超轻子),以及所有的玻色子(比如光子和胶子)都有费米子超对称伙伴(比如光微子和超胶子)。虽然大型强子对撞机(LHC)无法直接探测到弦(因为太小了,LHC远远达不到所需要的能量),但是LHC可以探测到这些超对称粒子。如果找到这些粒子,虽然还不能直接证明弦理论是对的,但至少证明我们在对的道路上。详见:《超对称的崛起和衰落》

【10. 三位得奖者的贡献是什么?】

  弦理论作为万有理论的最强劲候选者之一,自然要把它应用在方方面面,比如黑洞和宇宙学。Joseph Polchinski,Andrew Strominger 和 Cumrun Vafa获得这次奖项是因为他们从弦理论的角度对黑洞进行了分析。在《落入黑洞的信息去哪里了?》一文中我提到了黑洞火墙悖论,发表这个悖论论文的作者之一便是 Polchinski。而早在1996年的时候,Strominger和Vafa就利用弦理论计算了黑洞中的熵,其结果印证了霍金的结果。Strominger 和霍金在不久前还合作共同发表了关于黑洞软毛理论的相关论文。

  希望通过上面一些问题,读者能够对弦理论有一个非常入门级的认识,如果想深入了解有许多介绍弦理论的科普著作,比如《宇宙的琴弦》和《超弦理论:探究时间、空间及宇宙的本源》等。如果有读者是物理专业的,可以阅读威腾在2015年11月发表的一篇文章:《关于弦理论,物理学家都应该知道些什么?》【文献1】

  参考文献

  【1】http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/11/10.1063/PT.3.2980

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