物理學超級補丁——弦理論

弦理論的發現源於驚鴻一憋,當時正在日內瓦的歐洲原子核研究委員會 (CERN)原子核實驗室苦心作研的兩名青年物理學家,加布裡埃萊.韋內齊亞諾 (Gabriele Veneziano)和鈴木真彥(Mahiko Suzuki ),在科研之餘,百無聊賴,隨手翻閱一本數學書,而裡面一個叫歐拉的貝塔函數引起了他們的興趣。這個方程是由萊昂哈德-歐拉(Leonhard Euler)在18世紀發現的一個晦澀的數學表達式,它給人一種奇怪的感覺,基於學術直覺,他倆驚訝地發現,這個抽象的數學公式似乎是在描述兩個介子在巨大的能量下碰撞的情形。這個“韋內齊亞諾模型”很快在物理學界引起了不小的轟動,足足出現了幾百篇論文試圖對它進行歸納概括,用以描述各種核作用力。

這個理論的發現太過意外,而且其所闡釋的論斷太過超前。以至於連普林斯頓大學高等學術研究所的愛德華*威滕(Edward Witten)(弦理論核心奠基人,在理論解釋和推廣中具有核心地位)自己在評論弦理論時,都感覺發現過程太不可思議,說過:“照理說,20世紀的物理學家本不應有研 究這一理論的殊榮。照理說,弦理論現在還不能夠被髮明出來……”

弦理論的論述太過顛覆三觀,一經推出,在學界引起巨大轟動。在此之前,物理學的重大發現,通常都是由表及裡,透過自然表象,去揭示表象背後蘊含的科學規律,前因後果,表裡相稱,在科學發展的道路上,腳印清晰,可謂腳踏實地,一直跟在自然表象身後緊追不捨。

而弦理論卻是理論倒逼現象,其不但能解釋現今大多數自然現象,也成功彌補相對論和量子力學的相對不足,而且因為其太過超前,從建立後的很長一段時間內,都沒有人能真正搞明白其背後的真正奧義,更別說實際理論應用推廣。要知道愛因斯坦的質能方程誕生至今已經將近百年,但以現今的科技水平,和認知程度,還只能理解其理論精髓的百分之十。但這百分之十就已經很誇張的帶來了人類的長足發展,核能理論和天空物理至今都受益於這百分之十的理解。而弦理論的衍生品多維宇宙更是誇張,因為其多重性,更加難以讓人理解和驗證證明。

而弦理論中所證明存在的的亞原子粒子,即使動用我們最強大的儀器也很難追尋其蹤跡,為此物理學家們不得不採用一種雖然粗暴卻很有效的方法來對它們進行分析,用巨大的能量來把它們打碎。而耗費了幾十億美元來建立巨大的“原子擊破器”或稱粒子加速器,個個都有 好幾英里長,能夠產生互相迎頭撞擊的亞原子粒子束。然後物理學家對碰撞後 的碎塊進行周詳的分析。這個不勝其煩的痛苦過程的目的,是要建立一系列的 數據,稱為“散射矩陣”,或“S矩陣”。這個數據採集過程有關鍵作用,因為它可 以把所有的亞原子物理信息編集起來,也就是說,一旦瞭解了 S矩陣,就可以推 論出基本粒子的所有特性。

基本粒子物理學的目標之一,就是要為強相互作用預測出S矩陣的數學結 構。這個目標極其艱鉅,一些物理學家甚至認為它已超出了任何已知的物理學 範圍。而韋內齊亞諾和鈴木真彥只是翻看了一本數學書就猜到了 S矩陣,由此 造成的轟動可想而知。

這個模型與我們迄今為止所見到過的任何東西都完全不同。一般情況下, 當有人提出一個新理論的時候(例如夸克),物理學家就試圖對這個理論進行一 些修修補補,改變一些簡單的參數(例如粒子的質量或耦合強度)。但是韋內齊 亞諾模型編制得如此精緻,哪怕稍稍改動一下它的基本對稱關係,就會使整個公 式作廢。就像一件製作精美的水晶工藝品,任何改變它的形狀的努力都會使它 破碎。

那數百篇論文雖然都只是對它的參數做了一些微不足道的修改,卻已經摧 毀了它本來的美,而且至今一個也沒能經受住考驗。為數不多的幾篇現在還能 讓人想得起來的論文,都是那些想要理解這個理論為什麼居然有效的,也就是那 些試圖揭示其對稱性關係的論文。物理學家們最終認識到,原來這個理論根本 沒有任何可調整的參數。

因有這樣一段奇怪的歷史,弦理論自從被偶然發現開始的;對於什麼樣的物理原理才能指導這個理論,物理學家們至今迷惑不解。


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