八． 进入多维世界 [ 夏翁 ] 于:2005-08-05 13:48:32
8-1. 弦理论的诞生

我们前面提到1958年第一次在实验室里人工产生了汤川秀树提出的参与强相互作用的p介子，这些p介子不负汤川秀树的期望，它愿意参与任何有强相互作用力的过程，与各种各样的核子状态粘粘糊糊形成了大量的共振态粒子。为了对这些粒子分类，1964年盖尔曼提出了夸克模型，为以规范场为基础的量子色动力学来描述强相互作用开劈了道路。

然而当以量子场论来计算这些共振态粒子的产生截面时，强相互作用的巨大偶合常数让理论物理学家无法使用他们熟悉的微扰展开。受诺贝尔奖获得者俄国物理学家朗道的影响，柏克利的理论物理学家丘(Geoffrey F. Chew)对率先获得的近在咫尺的加速器产生的共振态粒子数据，利用海森堡发明的S（散射）矩阵理论总能给出一些经验的或半经验的公式，遂领导了60年代的粒子物理理论潮流。

在量子场微扰理论名声狼籍的大环境下， 在CERN工作的意大利物理学家威尼塞诺（Gabriel Veneziano）也试图不用量子场微扰理论描述强相互作用。1968年他总结了S矩阵理论中出现的一种所谓s，t对称性，顺手从现有的数学手册中找了一个能满足上述对称性含有嘎吗函数的公式。由于该公式颇能描述众多共振态粒子现象，特别是也能说明名噪一时的雷吉轨迹(Regge t rajectory)而受到重视。众多高手立即对它做了多方面的推广。特别是两年后（1970年）经过南布(Y. Nambu)、萨氏金(L. Susskind)和尼尔森(H. B. Nielsen)的论证，人们才意识到威尼塞诺建立了一种全新的物理概念：相对论量子力学的弦。这种弦不是由通常的原子分子所组成，而是由这种弦的振荡产生出组成原子分子的质子或中子等基本粒子。其它多种亚原子粒子都可以看成是这种弦的不同振荡模式。

然而，再后一年（1971年）温伯格－萨拉姆理论被特霍夫特证明是可以重整的，格罗斯(D. Gross)等指出了SU（3）规范场的渐进自由性质。与温伯格－萨拉姆理论弱电统一理论有着类似结构的量子色动力学一夜间成了描述强相互作用的权威理论。另外人们又发现威尼塞诺的弦还是存在严重问题：它不可避免地会产生质量为零，自旋为2的粒子。在当时没有任何的实验证据。所以威尼塞诺的弦又被大多数物理学家放弃。

8-2. 超弦与弦理论的第一次革命

   1982年一名叫威顿（Edward Witten）的年青小伙子在加州理工学院听到施瓦兹（John Schwarz）介绍威尼塞诺的理论时立即意识到，威尼塞诺的质量为零，自旋为2的粒子就是普朗克尺度下的爱因斯坦引力子！威顿宣称这是他学术生涯最激动人心的时刻。在此之前，整日与广义相对论打交道的理论物理学家都知道，爱因斯坦预言的引力波的量子就是质量为零，自旋为2。所不同的是，威尼塞诺的质量为零，自旋为2的粒子所传递的力的强度比爱因斯坦要求的强度大 倍。既然要用威尼塞诺的弦来产生爱因斯坦广义相对论所描述的引力，该弦就应该服从广义相对论的一些清规戒律，比如在彭加勒变换下保持它运动的方程不变等。这样一来就又把相信弦论的物理学家逼到了高于四维时空的世界。最初他们发现只有26维的时空才能使他们的理论自洽。后来他们通过引进超对称才把时空降到10维。具有超对称特性的威尼塞诺弦，被称为超弦，描述超弦的理论也就称之谓超弦理论。

为了和我们可观察的四维时空挂钩，瑞典物理学家克莱因对空间紧化的手段又派上了用场。现在有所不同的是，在紧化的过程中他们要始终瞄着已经获得巨大成功的标准模型。他们小心翼翼地把不得不紧化掉的6维空间上留些洞洞来存放标准模型中不同代数和不同家族的各色粒子动物。借助获得菲尔兹数学大奖的卡拉比-丘(Calabi-Yau)流型等来论证其做法的严格性。特别是1984年在施瓦兹证明了超弦的无发散等一系列优异性质后，超弦得到了全世界的关注，产生了超弦理论的第一次革命。

但是即使这样，广阔的多维时空还是提供了足够的场所让他们产生了五大门派：型I、型IIA、型IIB、杂化SO（32）和杂化E8XE8。以至于让1979年与温伯格，萨拉姆一起获得诺贝尔物理学奖金的哈佛大学的格拉肖嘲笑：一个针尖上可以有多少天使跳舞？加之超弦理论所倚重的超对称当时还根本没有任何实验证据，格拉肖声称他将象防止爱滋病一样来禁止超弦理论出现在他在哈佛大学的地盘上。以发现宇称在弱作用下破坏获得诺贝尔物理学奖，特别是以杨-密尔斯规范理论奠定标准模型基础的另一位科学大师，我们中国人所熟之的杨振宁也不看好超弦理论。超弦理论开始进入了黑暗时代。

8-3.  对偶，膜与弦理论的第二次革命

面对各种权威的冷嘲热讽，超弦理论的斗士们经过10年卧薪尝胆，在充分利用对偶（Dualty）对称概念的基础上于1994年以推出M理论为标志开始了超弦理论的第二次革命。

超弦理论中名为T（Taget）的对偶对称，辩称当真空把我们现今的宇宙吹到足够大时，其行为与它的在普朗克尺度下的对偶宇宙行为一样；名为S（Strong-week）的对偶对称，把粘的难解难分的物理学家无能为力作计算的超强相互作用行为转化为弱的可用物理学家得心应手的微扰方法作计算的行为；名为U（Unitary）的对偶对称则是S和T的综合。一个漂亮的战例是威顿等借助电荷与磁荷（或磁单极子）的S对偶对称，类比于超导体中库伯电子对的玻色凝结，论证了量子色动力学应该给出却一直给不出的夸克禁闭。

不同的超弦理论专家对这里的M有不同的解释：神秘(Mysterious)，母亲(Mother)，矩阵(Matrix)或膜论(Membrane)。不过它也确实具有以上几个方面的特征：首先是她的神秘，直到现在还没有一个确定的原理来指导她的发展。而我们熟知的广义相对论有等效原理；标准模型有规范对称。最近有人提出用所谓的全息原理（立体世界可被包含它的膜完全描述）来充数。但是全息原理的来源也有点虚无飘渺，它产生于对黑洞的研究中，至今实验还没有确认黑洞的存在。我们只知道M理论在低能时揭开面纱应为11维的超引力理论。M理论的母亲特征比较好理解：通过卷曲折叠等对偶手段对她的第十一维进行操作，就可以生出上节所产生的五大门派：型I、型IIA、型IIB、杂化SO（32）和杂化E8XE8。M理论的矩阵特征则是说她时空中的点不再象我们熟知的四维闽可夫斯基时空是可以对易的，它们必须遵守矩阵那样不可对易的运算。M理论的膜论特征，则是提供了一些动力学性质远比弦丰富的膜来面对现实世界。我等网民乃至整个宇宙都可以生活在她的一层膜上。

鉴于M理论丰富多彩的内涵，各种各样的大统一理论、宇宙模型等就象一些网民声称的那样：象粪坑边上的苍蝇一样层出不穷。在这里我们说上一二以飨读者。

我们前面已经提到爱因斯坦在他的广义相对论中漂亮地解决了水星近日点的近动问题之后，又于1917年去用来构造宇宙模型。在他所生活的年代几乎所有的人都认为宇宙是静止的，且没有任何一块地方特殊。不幸的是他的场方程给不出静态的解，于是他人为地在方程中添加一个常数项去平衡，该常数项被后人称为宇宙常数。虽然爱因斯坦得到了静态宇宙模型，但也常常为此感到心虚。1929年哈勃定律的发现让大家认识到宇宙是动态的之后，爱因斯坦又专门发文收回了他的宇宙常数。
由于观测手段的原始，稍后用哈勃常数计算得出的宇宙年龄还没有地球年龄的一半大，比利时天文学家勒梅特等又把宇宙常数请出来搪塞。以后随着观测手段的不断进步，宇宙常数又一步一步地被边缘化。

一直到了七十年代末，天体物理学又引发了暗物质危机。暗物质危机是说，我们所观察到的星系中所存在的物质质量，不足以保持该星系结构的稳定。就象我们的太阳在银河系的旋臂上兜圈儿，我们看到的银河系物质质量不可能让太阳在那里呆太久。而我们从其它物理过程确知，太阳在此位置上已经发光了50亿年之久。于是天体物理学家推断必定存在我们看不见的物质（因而称为暗物质）在起作用，这些暗物质要多达我们看得到的物质的至少10倍或更多才能使我们所观察到的星系结构稳定。于是有关暗物质的候选者又多如过江之鲫，但是到现在也没有任何实验证据，因而称为暗物质危机。

更有甚者，我们前面提到的暴涨宇宙模型是为了解释现今我们看到的平直宇宙结构而提出的一种极早期宇宙行为的模型。该模型认为极早期的宇宙在各种相互作用从统一中分化时产生的过热真空负压力在极短的时间内极大地扩展了宇宙的尺度。为了使暴涨宇宙模型正常工作，我们的宇宙物质能量密度应该满足一定的临界值。满打满算，我们所看到的整个宇宙的物质数量再加上到现在还没有显身的暗物质也只有该临界值的30%，所以宇宙常数再次被请出，担负我们宇宙70%的能量。至于这70%的能量怎样在真空中产生，广义相对论从原理上就解答不了。广义相对论只是说给我物质能量的分布，我可以计算它们对时空产生的曲率；或者反过来，知道或假设时空的曲率，来反推物质的能量分布。

从真空中产生能量，这可是我们前面花大笔墨介绍的量子场论的拿手好戏。任何量子体系，都有不可避免的零点能。但是我们稍加计算立刻就会知道，这种零点能比宇宙常数要担负我们宇宙70%的能量要大 10^124倍。粒子物理学家早就知道这一难堪，采取了驼鸟政策，不去面对而已。若把到现在还没有得到实验验证的超对称要求引入，则由于玻色子和费米子的贡献相互抵消，该能量又只能为0。即使假设在弱电统一的能标上让超对称破缺，这种零点能还是比要求的大 10^50倍。向弱电统一能标以下调整超对称破缺，会不断地接近所要求的零点能，但是又显然与我们在弱电统一的能标以内没有发现超对称相矛盾。真是左右为难。

这样一来物理学家又被逼到了高于四维时空的世界去寻求答案。所幸的是这次他们可以用超弦理论第二次革命中产生的膜来封装我们的宇宙，让超对称在我们加速器能达到的能量上破缺（2 Tev），产生的多余零点能随它们在我们宇宙存在的膜以外飘荡，能进入我们宇宙的就是我们所需要的。这可是一举几得的好事：既解释了我们目前还没有看到超对称破缺，又得到了让我们宇宙平直所需要的能量，同时又在向高能量目标奔跑的实验物理学家眼前吊上一捆草料。

8-4. 额外维引起的激动

也是受到超弦理论第二次革命的鼓舞，几位在美国西部的年轻网民（当然也有着物理学家的身份）在1998开始提出一种“额外维”（Extra Dimension）理论来解决“等级差”问题。所谓“等级差”问题是指弱电统一能标（10^2 Gev）与普郎克能标（10^19 Gev）间的巨大差距。这种差距的存在，使得标准模型所依赖的黑格斯机制象生活在针尖上。

根据额外维理论，标准模型所统辖的弱电和强相互作用，只在四维的闽可夫斯基时空中起作用（可以看做是更高维时空中的一层膜），而引力则可以自由地多维空间中来往。这样一来很自然地解释了我们感受到的引力为什么这么弱（能进入我们世界的只是它的一些分量，所以显得很弱）。特别是原先让实验物理学家们望尘莫及的普郎克能标（10^19 Gev）根据不同的额外维模型甚至可以降到现今实验物理学家所能产生的最大加速器能量范围（10^3 Gev），使引力与其它几种力有可能在不太高的能域上统一。另外他们没有用弦和超对称这等精细玩意儿，只用了多维空间中膜的概念，因而不必在10维的时空里腾挪。这样好的主意被认为是自从标准模型建立以来的1/4世纪里所少有的，在不到3年的时间里竟有近千篇文章呼应，很是引起了一番激动。

到此为止读者应该明白我们前面提到的那些欧洲核子研究中心以物理学家为主的一小撮网民为什么又找到了新的乐趣：设想一下，如果普郎克能标在10^3 Gev范围，量子引力效应将在他们2007年建成的大强子对撞机（LHC）上显现。比如他们可以随心所欲地制造微型黑洞，特别是如果霍金的黑洞蒸发理论也是对的（他就可以座着轮椅到瑞典去数钱），他们就可以看到极为壮观的宇宙焰火。这次他们可是在多维世界里冲浪，众位看官现在也应该明白霍金为什么要到处煽风点火。比较难以断定的是我们前面提到的上帝，物理学家们如果这次革命又获成功，他老人家只好跺到额外维里去了。


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