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超弦理论:难解的宇宙交响乐

2012-07-27 09:53:40 来源:

“疑似上帝粒子”现身,物理学界一片欢腾。

而在北京中关村的一间办公室中,某位中年学者一边为此兴奋,一边期待更“过瘾”的分析结果,因为他研究的理论还可以接纳更新奇的粒子,探索“上帝粒子”发现后仍难以解答的谜题;而另一些时候,他却会怀疑那套理论不一定正确。

这位学者就是中科院理论物理所研究员李淼,他的研究方向之一就是超弦理论——也许你曾在美剧《生活大爆炸》的台词、或是某些科普文章中隐约得知过这个词,但它究竟是何方神圣?

物理学标准模型不够“美”

这次新发现让许多物理学家欢呼,是因为若真发现了号称“上帝粒子”的希格斯粒子,一张名为“物理学标准模型”的宏伟画幅就将填上最后一块拼图——它所预言的全部基本粒子都将找到。

然而,尽管这个标准模型的绝大部分早已被一次次科学实验证明,但在一些理论物理学家眼里,它还是不够“美”。

按照标准模型,是电子、夸克、胶子、光子、中微子……等62种不可再分的基本粒子构成了原子、分子和世间万物。然而基本粒子的种类竟如此之多, 质量、性质等千差万别,相互作用的机制也非常繁冗,简直比元素周期表还复杂。

肩负探寻最基本自然规律的神圣使命,物理学向来追求“简单才是美,不美非真理”,如此复杂的模型怎么能是宇宙的终极奥秘呢?好在自上世纪60年代末以来,一项名为“弦论”的新理论声名鹊起,经数十年发展演变成现在的超弦理论。

超弦理论的核心很简洁,就是认为所有基本粒子在本质上没有区别,都是一段在高维空间振动着的“弦”;每根弦完全相同,只是振动方式不同。无数振动着的弦投射到我们生存的三维世界,就像把三维世界中的景象投射在二维的电影屏幕上,就是人类能认识到的各种基本粒子。

如果人类也能“听”到弦振动的声音,那么每个基本粒子都是一个音符,原子就是乐句,分子就是乐段,你我和世间万物就是乐章,而整个宇宙则是一首无比恢弘的交响乐,从宇宙大爆炸的时刻开始演奏,直到宇宙的终结。

远看像粒子,近看才是弦

“虽然还是不明白在说什么,但是听起来很厉害的样子”,要用几句话勉强解释超弦理论,恐怕也只能到这个程度了。不过外行看超弦理论有个好处,就是只要记住“所有基本粒子都是弦的不同振动形式”就行了,总比弄清一大堆名字晦涩、拗口还带希腊文的粒子简单多了吧。

或许还要解释一下,什么是高维空间呢?我们平时感知到的空间,由长宽高三个维度构成,加上时间就是四维时空。而在超弦理论尤其是比较新的膜理论中,整个时空共有多达11个维度。

“现有物理实验还无法证明高维空间的存在,是因为这对目前的观测手段来说太‘远’了。”李淼说,“就像一根长长的管子远远看去,仿佛一条粗细为零、只有一个维度的直线;而在更远的距离眺望,一个人也只是个零维的小黑点。”

那么多维空间究竟是什么样子?把一张纸看做二维平面,纸上画的小人则是这个平面世界中活生生的“二维生物”。如果你用一个指尖轻轻触摸这张纸,画中的小人只能看到指尖在平面上的小片印痕,根本无法想象你这个“三维人”长什么模样。同样,对于多维空间的景象,就是最有想象力的科学家、科幻作家和电影导演,也难以将其直观表现出来。

求“终极理论”,众里寻他千百度

半个月来,李淼写了N篇博客,接受了N次采访,却几乎没谈这次新发现和自己研究的超弦理论究竟有何关系。

“超弦理论探讨的问题,比标准模型更高级、范围更广大。这次发现对能否完善标准模型意义重大,但还说不好对超弦理论会有什么直接帮助。”说到这里,李淼露出了理论物理学者传说中的玩世不恭:“其实我倒更期待,最后发现的是一种谁都没预言过的新粒子,那样更有意思吧。”

比起多少能吸引公众眼球的大型物理实验项目,超弦理论研究似乎超脱得有点无奈。但李淼绝不会因此而寂寞,国内外都不缺迷恋超弦的物理学者——虽然其中很少有《生活大爆炸》主角、超弦专家谢尔顿那样的极品狂人。

超弦理论的魅力,不仅在于优美、简单(相对而言),更在于它被视为物理学界多年来翘首以盼的“终极理论”,或称“万物理论”(Theory of Everything)。

物理学发展到今天,人类发现了自然界的四种基本作用力:引力、电磁力以及只作用于微观层面的强力和弱力。其中引力早在牛顿时代就率先被发现,但其作用机理一直未被弄清; 爱因斯坦穷尽后半生,试图建立能同时解释引力和电磁力(当时只发现了这两种)的“统一场理论”,也最终抱憾而逝。

而在超弦理论的体系中,引力之谜有望得到破解,四种基本作用力也能被全部纳入。不仅如此,相对论和量子力学这对同在20世纪上半叶横空出世、却至今相互矛盾对立的物理学双璧,也有望在超弦理论中得到统一。

离实验太远,灯火阑珊也难“处”

理论上美好是一回事,但即便是侦探推理也得讲证据,一项科学理论更要通过实验检验才能上升为真理。相对论和量子力学从“异端邪说”登堂入室被学界认可,也是踩着坚实的实验观测结果一步步走过来的。

而验证超弦理论就麻烦得多。弦在三维空间中的尺度,要比人类现有技术能探测到的尺度还要小1016(上标)倍。如果按当今最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)给粒子加速的效率,至少要把它造得跟银河系那么大,才能让科学家一窥弦的面目。

此外在数学层面,超弦理论的宏大和包容也带来了麻烦。

“物理学界曾对弦论寄予了太高期望。”李淼说,“现在看来,它已经不那么‘美’了,因为它有太多的解。”

“太多的解”,就是超弦理论可以适用于不同的宇宙。而在其他的宇宙中,光速等物理常数可能都跟我们的宇宙迥然不同。这对科幻作家来说可能是绝佳素材,但理论物理学家毕竟还是要讲严谨的,这无数种可能性对他们来说委实太疯狂了些。

“我现在并不迷恋超弦,碰到心情不好的时候,甚至还对它怀疑过。”李淼笑称,“它可能不一定是‘万物理论’,不过至少也是‘Foundation of Everything’(万物起源的理论)。”

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