基本介紹
- 中文名：第二次超弦革命
- 外文名：the second superstring revolution
理論歷史,理論希望,理論模型,理論革命,理論現狀,
理論歷史
在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中，物理學家一開始採用的是較為溫和的辦法。他們試圖採用老的戰術，也就是在征討強、弱作用力和電磁力時用過的那些行之有效的手段，把它同樣用在引力的身上。在相對論里，引力被描述為由於時空彎曲而造成的幾何效應，而正如我們所看到的，量子場論把基本的力看成是交換粒子的作用，比如電磁力是交換光子，強相互作用力是交換膠子……等等。那么，引力莫非也是交換某種粒子的結果？在還沒見到這個粒子之前，人們已經為它取好了名字，就叫“引力子”(graviton)。根據預測，它應該是一種自旋為2，沒有質量的玻色子(玻色子是自旋為整數的粒子，如光子。而費米子的自旋則為半整數，如電子。粗略地說，費米子是構成“物質”的粒子，而玻色子則是承載“作用力”的粒子)。。
可是，要是把所謂引力子和光子等一視同仁地處理，人們馬上就發現他們注定要遭到失敗。在量子場論內部，無論我們如何耍弄小聰明，也沒法叫引力子乖乖地聽話：計算結果必定導致無窮的發散項，無窮大！我們還記得，在量子場論創建的早期，物理學家是怎樣地被這個無窮大的幽靈所折磨的，情況甚至更糟：就算運用重正化方法，我們也沒法把它從理論中趕跑。在這場戰爭中我們初戰告負，一切溫和的統一之路都被切斷，量子論和廣義相對論互相怒目而視，作了最後的割席決裂，我們終於認識到，它們是互不相容的，沒法叫它們正常地結合在一起！物理學的前途頓時又籠罩在一片陰影之中，相對論的支持者固然不忿氣，擁護量子論的人們也有些躊躇不前：要是橫下心強攻的話，結局說不定比當年的愛因斯坦更慘，但要是戰略退卻，物理學豈不是從此陷入分裂而不可自拔？
理論希望
新希望出現在1968年，但卻是由一個極為偶然的線索開始的：它本來根本和引力毫無關係。那一年，CERN（歐洲核子物理研究所，相信讀過丹·布朗《天使與魔鬼》的朋友都不會陌生）的義大利物理學家維尼基亞諾(Gabriel Veneziano)隨手翻閱一本數學書，在上面找到了一個叫做“歐拉β函式”的東西。維尼基亞諾順手把它運用到所謂“雷吉軌跡”(Regge trajectory)的問題上面，作了一些計算，結果驚訝地發現，這個歐拉早於1771年就出於純數學原因而研究過的函式，它竟然能夠很好地描述核子中許多強相對作用力的效應！
維尼基亞諾沒有預見到後來發生的變故，他也並不知道他打開的是怎樣一扇大門，事實上，他很有可能無意中做了一件使我們超越了時代的事情。威頓(Edward Witten)後來常常說，超弦本來是屬於21世紀的科學，我們得以在20世紀就發明並研究它，其實是歷史上非常幸運的偶然。
理論模型
維尼基亞諾模型不久後被3個人幾乎同時注意到，他們是芝加哥大學的南部陽一郎，耶希華大學(Yeshiva Univ)的薩斯金(Leonard Susskind)和玻爾研究所的尼爾森(Holger Nielsen)。三人分別證明了，這個模型在描述粒子的時候，它等效於描述一根一維的“弦”！這可是非常稀奇的結果，在量子場論中，任何基本粒子向來被看成一個沒有長度也沒有寬度的小點，怎么會變成了一根弦呢？
雖然這個結果出人意料，但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然與當時正在那裡訪問的法國物理學家謝爾克(Joel Scherk)合作，研究了這個理論的一些性質。他們把這種弦當作束縛夸克的紐帶，也就是說，夸克是綁在弦的兩端的，這使得它們永遠也不能單獨從核中被分割出來。這聽上去不錯，但是他們計算到最後發現了一些古怪的東西。比如說，理論要求一個自旋為2的零質量粒子，但這個粒子卻在核子家譜中找不到位置(你可以想像一下，如果某位化學家找到了一種無法安插進周期表里的元素，他將會如何抓狂？)。還有，理論還預言了一種比光速還要快的粒子，也即所謂的“快子”(tachyon)。大家可能會首先想到這違反相對論，但嚴格地說，在相對論中快子可以存在，只要它的速度永遠不降到光速以下！真正的麻煩在於，如果這種快子被引入量子場論，那么真空就不再是場的最低能量態了，也就是說，連真空也會變得不穩定，它必將衰變成別的東西！這顯然是胡說八道。
更令人無法理解的是，如果弦論想要自圓其說，它就必須要求我們的時空是26維的！平常的時空我們都容易理解：它有3維空間，外加1維時間，那多出來的22維又是乾什麼的？這種引入多維空間的理論以前也曾經出現過，如果大家還記得玻爾在哥本哈根的助手克萊恩(Oskar Klein)，也許會想起他曾經把“第五維”的思想引入薛丁格方程。克萊恩從量子的角度出發，而在他之前，愛因斯坦的忠實追隨者，德國數學家卡魯扎(Theodor Kaluza)從相對論的角度也作出了同樣的嘗試。後來人們把這種理論統稱為卡魯扎-克萊恩理論(Kaluza-Klein Theory，或KK理論)。但這些理論最終都胎死腹中。的確很難想像，如何才能讓大眾相信，我們其實生活在一個超過4維的空間中呢？
最後，量子色動力學(QCD)的興起使得弦論失去了最後一點吸引力。正如我們在前面所述，QCD成功地攻占了強相互作用力，並占山為王，得到了大多數物理學家的認同。在這樣的內外交困中，最初的弦論很快就眾叛親離，被冷落到了角落中去。
在弦論最慘澹的日子裡，只有施瓦茨和謝爾克兩個人堅持不懈地沿著這條道路前進。1971年，施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作，把原來需要26維的弦論簡化為只需要10維。這裡面初步引入了所謂“超對稱”的思想，每個玻色子都對應於一個相應的費米子。與超對稱的聯盟使得弦論獲得了前所未有的力量，使它可以同時處理費米子，更重要的是，這使得理論中的一些難題(如快子)消失了，它在引力方面的光明前景也逐漸顯現出來。可惜的是，在弦論剛看到一線曙光的時候，謝爾克出師未捷身先死，他患有嚴重的糖尿病，於1980年不幸去世。施瓦茨不得不轉向倫敦瑪麗皇后學院的麥可·格林(Michael Green)，兩人最終完成了超對稱和弦論的結合。他們驚訝地發現，這個理論一下子猶如脫胎換骨，完成了一次強大的升級。老的“弦論”已經死去了，新生的是威力無比的“超弦”理論，這個“超”的新頭銜，是“超對稱”冊封給它的無上榮耀。
當把他們的模型用於引力的時候，施瓦茨和格林狂喜得能聽見自己的心跳聲。老的弦論所預言的那個自旋2質量0的粒子雖然在強子中找不到位置，但它卻符合相對論！事實上，它就是傳說中的“引力子”！在與超對稱同盟後，新生的超弦活生生地吞併了另一支很有前途的軍隊，即所謂的“超引力理論”。謝天謝地，在計算引力的時候，無窮大不再出現了！計算結果有限而且有意義！引力的國防軍整天警惕地防衛粒子的進攻，但當我們不再把粒子當作一個點，而是看成一條弦的時候，我們就得以瞞天過海，暗渡陳倉，繞過那條苦心布置的無窮大防線，從而第一次深入到引力王國的縱深地帶。超弦的本意是處理強作用力，但它的注意力完全轉向了引力：天哪，要是能征服引力，別的還在話下嗎？
關於引力的計算完成於1982年前後，到了1984年，施瓦茨和格林打了一場關鍵的勝仗，使得超弦驚動整個物理界：他們解決了所謂的“反常”問題。本來在超弦中有無窮多種的對稱性可供選擇，但施瓦茨和格林經過仔細檢查後發現，只有在極其有限的對稱形態中，理論才得以消除這些反常而得以自洽。這樣就使得我們能夠認真地考察那幾種特定的超弦理論，而不必同時對付無窮多的可能性。更妙的是，篩選下來的那些群正好可以包容現有的規範場理論，還有粒子的標準模型！偉大的勝利！
理論革命
“第一次超弦革命”由此爆發了，前不久還對超弦不屑一顧，極其冷落的物理界忽然像著了魔似的，傾注出罕見的熱情和關注。成百上千的人們爭先恐後，前仆後繼地投身於這一領域，以致於後來格勞斯(David Gross)說：“在我的經歷中，還從未見過對一個理論有過如此的狂熱。”短短3年內，超弦完成了一次極為漂亮的帝國反擊戰，將當年遭受的壓抑之憤一吐為快。在這期間，像愛德華·威頓，還有以格勞斯為首的“普林斯頓超弦四重奏”小組都作出了極其重要的貢獻，不過我們沒法詳細描述了。網上關於超弦的資料繁多，如果有興趣的讀者可以參考這個詳細的資料索引：
第一次革命過後，我們得到了這樣一個圖像：任何粒子其實都不是傳統意義上的點，而是開放或者閉合(頭尾相接而成環)的弦。當它們以不同的方式振動時，就分別對應於自然界中的不同粒子(電子、光子……包括引力子！)。我們仍然生活在一個10維的空間裡，但是有6個維度是緊緊蜷縮起來的，所以我們平時覺察不到它。想像一根水管，如果你從很遠的地方看它，它細得就像一條線，只有1維的結構。但當真把它放大來看，你會發現它是有橫截面的！這第2個維度被捲曲了起來，以致於粗看之下分辨不出。在超弦的圖像里，我們的世界也是如此，有6個維度出於某種原因收縮得非常緊，以致粗看上去宇宙僅僅是4維的(3維空間加1維時間)。但如果把時空放大到所謂“普朗克空間”的尺度上(大約10^-33厘米)，這時候我們會發現，原本當作是時空中一個“點”的東西，其實竟然是一個6維的“小球”！這6個捲曲的維度不停地擾動，從而造成了全部的量子不確定性（看看，這個理論竟然可以從根子上解釋不確定原理）！
這次革命使得超弦聲名大振，隱然成為眾望所歸的萬能理論候選人。當然，也有少數物理學家仍然對此抱有懷疑態度，比如格拉肖，費因曼。霍金（就是前天在人民大會堂面對六千人在輪椅上作報告的教授）對此也不怎么熱情。大家或許還記得我們在前面描述過，在1982年阿斯派克特實驗後，BBC的布朗和紐卡斯爾大學的戴維斯對幾位量子論的專家做了專門訪談。當超弦熱在物理界方興未艾之際，這兩位仁兄也沒有閒著，他們再次出馬，邀請了9位在弦論和量子場論方面最傑出的專家到BBC做了訪談節目。這些記錄後來同樣被集合在一起，於1988年以《超弦：萬能理論？》為名，由劍橋出版社出版。閱讀這些記錄可以發現，專家們雖然吵得不像量子論那樣厲害，但其中的分歧仍是明顯的。費因曼甚至以一種飽經滄桑的態度說，他年輕時注意到許多老人迂腐地抵制新思想(比如愛因斯坦抵制量子論)，但當他自己也成為一個老人時，他竟然也身不由己地做起同樣的事情，因為一些新思想確實古怪——比如弦論就是！
人們自然而然地問，為什麼有6個維度是蜷縮起來的？這6個維度有何不同之處？為什麼不是5個或者8個維度蜷縮？這種蜷縮的拓撲性質是怎樣的？有沒有辦法證明它？因為弦的尺度是如此之小(普朗克空間)，所以人們缺乏必要的技術手段用實驗去直接認識它，而且弦論的計算是如此繁難，不用說解方程，就連方程本身我們都無法確定，而只有採用近似法！更糟糕的是，當第一次革命過去後，人們雖然大浪淘沙，篩除掉了大量的可能的對稱，卻仍有5種超弦理論被保留了下來，每一種理論都採用10維時空，也都能自圓其說。這5種理論究竟哪一種才是正確的？人們一鼓作氣衝到這裡，卻發現自己被困住了。弦論的熱潮很快消退，許多人又回到自己的本職領域中去，第一次革命塵埃落定。
理論現狀
一直要到90年代中期，超弦才再次從沉睡中甦醒過來，完成一次絕地反攻。這次喚醒它的是愛德華·威頓。在1995年南加州大學召開的超弦年會上，威頓讓所有的人都吃驚不小，他證明了，不同耦合常數的弦論在本質上其實是相同的！我們只能用微擾法處理弱耦合的理論，也就是說，耦合常數很小，在這樣的情況下5種弦論看起來相當不同。但是，假如我們逐漸放大耦合常數，它們應當是一個大理論的5個不同的變種！特別是，當耦合常數被放大時，出現了一個新的維度——第11維！這就像一張紙只有2維，但你把許多紙疊在一起，就出現了一個新的維度——高度！
換句話說，存在著一個更為基本的理論，現有的5種超弦理論都是它在不同情況的極限，它們是互相包容的！這就像那個著名的寓言——盲人摸象。有人摸到鼻子，有人摸到耳朵，有人摸到尾巴，雖然這些人的感覺非常不同，但他們摸到的卻是同一頭象——只不過每個人都摸到了一部分而已！格林(Brian Greene)在1999年的《優雅的宇宙》中舉了一個相當搞笑的例子，我們把它發揮一下：想像一個熱帶雨林中的土著喜歡水，卻從未見過冰，與此相反，一個愛斯基摩人喜歡冰，但因為他生活的地方太寒冷，從未見過液態的水的樣子(無疑現實中的愛斯基摩人見過水，但我們可以進一步想像他生活在土星的光環上，那就不錯了)，兩人某天在沙漠中見面，為各自的愛好吵得不可開交。但奇妙的事情發生了：在沙漠炎熱的白天，愛斯基摩人的冰融化成了水！而在寒冷的夜晚，水又重新凍結成了冰！兩人終於意識到，原來他們喜歡的其實是同一樣東西，只不過在不同的條件下形態不同罷了。
這樣一來，5種超弦就都被包容在一個統一的圖像中，物理學家們終於可以鬆一口氣。這個統一的理論被稱為“M理論”。就像沒人知道為啥007電影中的那個博士發明家叫做“Q”(扮演他的老演員於1999年車禍去世了，在此紀念一下)，也沒人知道這個“M”確切代表什麼意思，或許發明者的本意是指“母親”(Mother)，說明它是5種超弦的母理論，但也有人認為是“神秘”(Mystery)，或者“矩陣”(Matrix)，或者“膜”(Membrane)。有些中國人喜歡稱其為“摸論”，意指“盲人摸象”！
在M理論中，時空變成了11維，由此可以衍生出所有5種10維的超弦論來。事實上，由於多了一維，我們另有一個超引力的變種，因此一共是6個衍生品！這時候我們再考察時空的基本結構，會發現它並非只能是1維的弦，而同樣可能是0維的點，2維的膜，或者3維的泡泡，或者4維的……我想不出4維的名頭。實際上，這個基本結構可能是任意維數的——從0維一直到9維都有可能！M理論的古怪，比起超弦還要有過之而無不及。
不管超弦還是M理論，它們都剛剛起步，還有更長的路要走。雖然異常複雜，但是超弦/M理論仍然取得了一定的成功，甚至它得以解釋黑洞熵的問題——1996年，施特羅明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的論文為此開闢了道路。在那之前不久的一次講演中，霍金還挖苦說：“弦理論迄今為止的表現相當悲慘：它甚至不能描述太陽結構，更不用說黑洞了。”不過他最終還是改變了看法而加入弦論的潮流中來。M理論是“第二次超弦革命”的一部分，如今這次革命的硝煙也已經散盡，超弦又進入一個蟄伏期。PBS後來在格林的書的基礎上做了有關超弦的電視節目，在公眾中引起了相當的熱潮。或許不久就會有第三次第四次超弦革命，從而最終完成物理學的統一，我們誰也無法預見。
值得注意的是，自弦論以來，我們開始注意到，似乎量子論的結構才是更為基本的。以往人們喜歡先用經典手段確定理論的大框架，然後在細節上做量子論的修正，這可以稱為“自大而小”的方法。但在弦論里，必須首先引進量子論，然後才導出大尺度上的時空結構！人們開始認識到，也許“自小而大”才是根本的解釋宇宙的方法。如今大多數弦論家都認為，量子論在其中扮演了關鍵的角色，量子結構不用被改正。而廣義相對論的路子卻很可能是錯誤的，雖然它的幾何結構極為美妙，但只能委屈它退到推論的地位——而不是基本的基礎假設！許多人相信，只有更進一步地依賴量子的力量，超弦才會有一個比較光明的未來。我們的量子雖然是那樣的古怪，但神賦予它無與倫比的力量，將整個宇宙都控制在它的光輝之下。
2006年，世界弦理論大會在中國舉行。中國在這個理論物理的前沿領地，沒有較著名的科學家。
