沿着这条思路成功的最大希望寄托在某种类型的弦论上。弦是假想的一维基本存在,象橡皮筋那样闭合的或者象一段普通的弦那样是开的,如同小提琴的弦那样能在非常多的频率上振动。它们的大小约是电子尺寸的10-18倍,所以在实验室的尺度上它们可以被看作是不同类型的点粒子, 类型取决于弦振动的模式。 关于弦论激动人心的一点是某些版本的弦论能凭预测开列出一张粒子类型的单子,同我们在自然界中已经观察到的颇为相似。进一步地,所有弦论都预测到的一类粒子是引力子,即引力场的量子。因此,弦论不仅将引力同基本粒子物理统一起来,它还能解释为什么引力必须存在。最后一点,拦在引力之量子场论路上的无穷大老问题在弦论里也得以避免。量子场论计算中的无穷大是由于粒子占据同一时空点所造成的。但是弦有有限尺寸,因此两条弦永远不能处于零距离。弦论由此为我们提供了第一个候选的终极统一理论。 可惜的是,弦论至今并没有满足人们在1980年代对它抱有的太大期望。有太多变种的不同弦论,人们也广泛怀疑这些变种会是同一个普适理论的不同解,没人知道普适理论该是什么样子。在求解弦论以期找出可观测的物理量,比如夸克质量,的路上堆积着可怕的数学障碍,我们也不能从第一性原理判断到底哪个弦论的版本是正确的;即便这些障碍得以克服,我们仍然还要面对为什么真实世界要用弦论之类的东西来描述的问题。 通过追溯弦论的历史起源人们建议了一个对此问题可能的回答。在1960年代,在关于强核力相互作用的标准量子场论出现之前,许多理论物理学家放弃了任何用量子场论语汇描述这些力的想法,转而借助于一个称为“S-矩阵理论”的实证主义纲领来计算核子和介子的性质,避免涉及电子的场之类的不可观测量。依照这个纲领,计算过程中要对可观测量施加物理上合理的限制,特别是关于任何数目的粒子间所有可能反应之几率的限制(在这些限制条件中,一条是所有可能反应的几率加起来总是100%;另一个要求是这些几率是参加反应的粒子之能量和运动方向的光滑函数;还有一个是关于这些几率在高能量上的行为的;最后是各种对称条件,包括根植于狭义相对论原理中的关于时空的对称性)。人们发现要找到任何一组能满足上述所有条件的概率是非常困难的。最终,得自灵光一现的猜测,一个能给出满足上述所有条件的几率的公式于1968-1969年之间被发现。此后不久,人们认识到该理论实际上是弦论。这段历史也许反映了弦论出现的逻辑基础。即是说,弦论可以最终被理解为能满足施加于反应几率上的所有物理上合理的条件的唯一选择,至少是满足任何包含引力的理论中的这些条件的唯一选择。 这个观点内含悖论的元素。在我们谈论S-矩阵理论中的各种反应的几率时,我们头脑已经构思了两个或多个粒子在自由飞越了相当长的距离后碰到了一起,然后反应,产生新的粒子,这些新粒子最终会相互远离直到它们不再有相互作用。这是现代基本粒子物理里的范式实验。但是这样的反应只能发生在或多或少是空的且“平”的宇宙——即未被高密度物质填充的、未被强的引力场充满从而弯曲了的时空。这确实是我们当前宇宙的状态,但在早期宇宙却不是这样;即便今天也依然有黑洞之类的物体,其周围的空间是严重弯曲的。所以,把施加于反应几率的一组“合理的条件”当作物理学基本原理,而这些条件所限制的反应既不是由来如此,今天也不是处处如此,就显得有点怪怪的了。 确实,当前的宇宙或多或少是空的且平的本身就是悖论的。在多数理论中, 多种场的量子涨落会在“空的”空间[5]中引入那样大的能量密度以至于由此产生的引力场会让时空是相当弯曲的—是如此的弯曲以至于不会有任何常规的基本粒子反应会发生,也不会出现科学家来观测它。这个问题在弦论中也未能得到解决;大量的弦论中的大多数都预言存在巨大的真空能量密度。 (责任编辑:本港台直播) |