首页 >> 物理 >> 文章

本文是《隐藏的现实》一书的第四章连载一,作者B·格林 ,译者李剑龙(笔名Sheldon,科学松鼠会会员)。

从大爆炸到暴胀,追根溯源,现代宇宙学可以归结为一个核心的科学理论:爱因斯坦的广义相对论。在这个新的引力理论中,爱因斯坦颠覆了人们关于时空是一成不变的刚体的既有观念;于是,科学不得不敞开怀抱,迎接一个千变万化的宇宙。能有这样的成就着实不易。然而,爱因斯坦还梦想着更上一层楼。20世纪20年代,爱因斯坦收集了一些数学弹药,加上他的几何直觉,开始着手研究一种统一场论。

爱因斯坦之所以要统一场论,是想寻找一个框架,把自然界所有的相互作用力都缝在一处,编织成一条和谐统一的数学绸缎。为了不让物理定律们各自为政,爱因斯坦想把所有的定律都融为一体,不分彼此。为此,爱因斯坦付出了数十年的辛苦努力。历史证明,这些努力大多徒劳无功梦想过于宏伟,而时机尚未成熟。但是,后来人接过了爱因斯坦的衣钵,向最精美的候选理论弦论大步走去。

QQ20141211-2@2x

【题图出处:www.enchgallery.com

我在前两本书《宇宙的琴弦》和《宇宙的结构》中讨论过这段历史,介绍过弦论的基本特性。这两本书出版以来,弦论的生命力一直饱受公众质疑。出现这样的状况并不奇怪。在发展的历程中,弦论已经作出了一些关键的预言。通过实验来对这些预言进行检验,我们就能确定弦论的真伪。我们即将看到,有3种不同的多重宇宙理论是以弦论为基础的,因此,说明弦论目前的进展情况,阐明弦论同实验结果和观测数据之间的联系就变得尤为重要。这就是本章要义所在。

统一理论简史

在爱因斯坦谋求理论统一的年代,人们只知道两种基本力的存在,一种是由爱因斯坦的广义相对论所描述的引力,另一种是由麦克斯韦方程所描述的电磁力。爱因斯坦想把这两种力都融合到同一个数学公式中,使自然界的所有作用力成为一个统一的整体。爱因斯坦对这个统一理论抱有很高的期望。他认为,19世纪时麦克斯韦所提出的理论就是统一场论的原型确实如此。在麦克斯韦之前,导线中流过的电荷、小孩的磁铁所产生的力和照亮地球的太阳光被认为是三种毫无关联的独立现象。麦克斯韦指出,实际上这不过是一种科学意义上的三位一体”(Trinity)。电流能产生磁场;在导线周围晃动磁铁能产生电流;波浪式的扰动在电场和磁场中掀起一阵阵涟漪,就产生了光。爱因斯坦打算将麦克斯韦的统一理论向前推进一步,也许这是统一所有自然定律所需的最后一步统一电磁力和万有引力。

这个目标并不简单,爱因斯坦也并不是随口说说。他有一种无与伦比的能力,能够一心一意地投入到自己设立的目标中。在生命的最后30年中,他为这个理论而痴狂。1955417日,爱因斯坦去世的前一天,他的私人秘书兼管家海伦·杜卡斯(HelenDukas)在普林斯顿医院陪他。海伦回忆道,爱因斯坦一直卧病在床,稍微感觉舒服一点儿时,便要来那几张写有方程的草稿纸。他无休无止地摆弄那些数学符号,而大统一理论存在的希望却越发渺茫。爱因斯坦没能迎接第二天的朝阳。他最后作出的那些潦草演算没有为统一理论提供有价值的线索。

和爱因斯坦同时代的人很少像他那样痴迷于统一理论。在量子力学的指引下,从20世纪20年代中期到60年代中期,物理学家揭开了原子世界的奥秘,学会了驾驭原子中蕴藏的能量。探寻物质基本成分的强烈诱惑毫不掩饰地摆在物理学家面前。虽然许多人都认为统一理论的目标很值得赞赏,但在那个时代,这个目标不过是一时兴起。当时的理论家正忙着同实验家携手合作,共同揭示微观世界的法则。爱因斯坦去世后,统一理论的工作就被搁置下来。

后来的研究发现,爱因斯坦在寻求统一的过程中手段过于狭隘,于是败得很惨。爱因斯坦不仅没有重视量子物理的角色(他认为,统一理论会取代量子力学,所以一开始就不用把量子力学考虑在内),也没有考虑到实验揭示的另外2种作用力:强核力(strongnuclearforce)和弱核力(weaknuclearforce)。前者像强力胶一样把原子核中的粒子粘在一起,而后者则负责放射性衰变,同时起到些别的作用。需要统一的作用力不是2种,而是4种,爱因斯坦的梦想看起来更加遥不可及了。

20世纪6070年代,形势发生了转变。物理学家发现,量子场论方法不仅可以用在电磁力上,它在弱核力和强核力上的应用也很成功。引力之外的这3种作用力都可以用同一种数学语言来描述。此外,对这些量子场理论的详细研究表明〔诺贝尔奖中最著名的成果谢尔顿·格拉肖(SheldonGlashow)、史蒂芬·温伯格(StevenWeinberg)和阿卜杜斯·萨拉姆(AbdusSalam)的获奖研究,以及格拉肖和他的哈佛同事霍华德·乔治(HowardGeorgi)的后续研究〕,电磁力、弱核力和强核力之间的关系暗示着存在一种潜在的统一架构。根据爱因斯坦近半个世纪前就已提出的想法,理论家声称,这3种看起来形态迥异的作用力或许真的可以统一为同一种自然界的作用力,它们只不过是这种力的不同表现。

这些研究朝着统一理论迈出了扎实的步伐,然而在这绚烂的帷幕之下却隐藏着一个致命的问题。当科学家把量子场论的方法用在自然界的第4种作用力,也就是万有引力上时,计算失败了。量子力学和爱因斯坦描述引力场的广义相对论之间矛盾重重,导致计算的结果没有意义。然而,广义相对论和量子理论在它们各自的领域内(宏观世界和微观世界)却都很成功。统一这两个理论时得到的无意义结果表明,我们对自然法则的理解还存在一个深不见底的裂纹。如果有人证明你手头的定律是相互矛盾的,那么毫无疑问,这些定律并不正确。理论的统一曾是一种带有美学意味的目标;现在,它又在逻辑上变得势在必行。

20世纪80年代见证了又一个关键进展。一个名为超弦理论的新方法引起了全世界物理学家的注意。这个理论缓解了广义相对论和量子力学之间的冲突,从而为引力进入统一的量子力学架构提供了希望。统一理论的超弦时代来临了。研究的气氛非常热烈,数学计算充斥了成千上万的期刊版面,超弦理论逐渐血肉丰满,系统的基础已初具规模。一个复杂的数学结构出现,给人们留下了深刻的印象,然而超弦理论(简称弦论)的许多方面仍然是未知数。3

随后,在20世纪90年代中期,专心致力于揭开谜团的理论家误打误撞,将弦论塞进了多重宇宙的故事中。研究者们早就知道,用于分析弦论的数学方法引入了各式各样的近似,因此需要进一步完善。

在某些完善的工作提出来以后,研究者们发现这套数学明白无误地说明,我们的宇宙可能隶属于一个多重宇宙。实际上,弦论的计算表明,我们的宇宙之外不是一个多重宇宙,而是数目众多、类型各异的多重宇宙。

为了全面掌握这些激动人心而又充满争议的进展,为了评估这些进展在寻找宇宙深层法则过程中所扮演的角色,我们就得以退为进,首先了解弦论的现状。

关于

本文节选自《隐藏的现实》。作者B·格林 ,译者李剑龙(笔名Sheldon,科学松鼠会会员)

关于《隐藏的现实》中文版:平行宇宙是什么?每个人都听说过,但又说不清楚。平行宇宙有多少种?离我们有多远?那里会有另一个你吗?那个你过得好吗?在这本书中,理论物理学家B. 格林以他招牌式的睿智和幽默带你踏上9种平行宇宙的科学旅程,你从科幻作品中产生的一切疑问都会迎刃而解。

《隐藏的现实》豆瓣链接:http://book.douban.com/subject/24846072/

封一

0
相关文章

7 Responses to “自然定律的统一,通向弦论之路(1)”

  1. Tanlet说道:

    译者李剑龙(笔名Sheldon),还是弦论?你是故意吧。就当谢耳朵不上松鼠会

  2. 隐矢宇说道:

    也许超弦理论未来会成为统一理论,也许统一理论是打开时空之门的钥匙,不过对于现在的人类肉体来说研究这些理论的能力是不是太弱小了?

  3. 魔力猫说道:

    我在松树看过最有收益的两个系列一个是发现新行星,一个是量子纠缠,希望这个是第三个。

  4. Renly说道:

    科学是个自我修正的过程,真理需要一步一步地去探索.在不久的将来,科学或翻开新的篇章,带领我们研究新的领域.祝各位爱好物理的朋友身体健康,万事如意

  5. DS说道:

    一个假说而已,老是自称是理论。

  6. zhigang324说道:

    问物理精英们一句话:上帝(或无神论者的‘大自然’)需要用人类发明的‘数学’来创造宇宙吗?如果不需要,精英们是不是太愚蠢,太自视不凡了了?迄今为止,科学家们用数学’推导出了宇宙奥秘了吗?如果答案是否定的,那么为何非要一条路走到死?永别了,数学游戏‘弦论’!

  7. asch说道:

    为什么没有下文