一年前写的弦论简介

最近没有写博客，这里用一年前写的一篇短文充数

将不同的实验现象用统一的物理理论来描述，一直是物理学皇冠上的明珠。从牛顿统一“月上界”和“月下界”，到麦克斯韦统一电场和磁场，再到爱因斯坦统一引力质量和惯性质量，一部物理学的历史，贯穿着物理学家们追求统一道路上的光荣与梦想，荣耀与哀伤。在近现代的物理学中，爱因斯坦的追随者们更是把寻找一个能够统一描述所有物理现象的理论作为理论物理的终极追求。弦论的故事正是在这样的背景下展开的。

让我们首先看一看弦论诞生之前，人们在近现代高能物理中取得的成就。自从天然放射性的发现，物理学家们一步一步地揭开着原子核中的奥秘。物理学家们发现，在原子核中暗藏着两种新的相互作用形式：强相互作用和弱相互作用。它们和早已被发现的引力相互作用以及电磁相互作用，是已经发现的全部相互作用形式。

统一之梦在这里遇到了严重的挫折：描述电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用的理论是“量子场论”，建立在量子力学和狭义相对论的基础之上，而引力要用“广义相对论”来描述。这两个理论是本质上不相容的。追求统一理论的进程在这里停了下来，很多最聪明的科学家为此绞尽脑汁，而量子场论和广义相对论的矛盾却没有任何和解的迹象。

让我们在这里稍稍换一个话题，我们将看到，这将为寻求统一理论的梦想带来戏剧性的转折。

强相互作用有些在当时看来非常奇怪的性质：六十年代，实验中发现了一系列按规律分布的短命粒子，而当时的理论根本不能解释这个现象。1968年欧洲核子中心的意大利物理学家维尼基亚诺（Gabriel Veneziano）在数学手册上找到了一个公式，这个公式恰好与实验很好地符合。

很快，芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大学（Yeshiva Univ）的萨斯金（Leonard Susskind）和玻尔研究所的尼尔森（Holger Nielsen）发现，维尼基亚诺提出的公式有明确的物理意义：参与强相互作用的基本物体不是零维（没有长度，也没有宽度和高度的一个点）的粒子，而是一维（只有长度，没有宽度和高度的一条线）的弦！至此，弦论诞生了。

物理学家对这种最初形式的弦论做了详细的研究，他们发现，这种弦论具有很多令人不满的性质，例如，其中会出现超光速的状态，不能描述像电子这样的组成物质的粒子，而一些我们不想要的多余粒子却不可避免地出现，等等。与此同时，一种叫做“量子色动力学”的理论在解释强相互作用方面取得了巨大的成功，成为了解释强相互作用的标准理论。在这样的内忧外患之下，弦论作为一种过时的理论，逐渐淡出了人们的视野。

当时，只有几个人没有抛弃弦论，而正凭借这几个人十年磨一剑的艰苦努力，弦论得以重生，并且走得更远，以一个能描述所有物理现象的理论的候选者的姿态重新回到了我们的面前。让我们记住在黑暗的年代中为弦论努力的先驱者，他们是，加州理工的施瓦茨（John Schwarz）、谢尔克（Joel Scherk），伦敦玛丽皇后学院的迈克尔.格林（Michael Green）。他们和其他物理学家把原先的弦论做出了重要推广，引入物质和相互作用之间的对称性，由此除掉了超光速的状态，并且成功描述了物质粒子。更令人振奋的是，前面提到过的在强相互作用意义下的“多余粒子”，正对应着描述引力相互作用的“引力子”！这样，弦论放弃了“强相互作用理论”的目标，而第一次开始向着统一万物的理论的方向行进了。

这个发现，将我们带回到追求统一理论的道路上。整个理论物理界因此而疯狂。相当多物理学家认为，我们梦寐以求的，一个能够统一地描述所有物理现象的理论就要诞生了，我们即将看到万物最终的道理。一大批研究成果像雨后春笋一样涌现出来，激动人心的成果，伴随着乐观的情绪在研究者们中间蔓延。这个时期，后来被称作“弦论的第一次革命”。

在弦论的第一次革命中，支持弦论的科学家中只有少数保持着冷静，并不认为一个“万物理论”马上就要诞生了。其中，对后来弦论的发展影响最大的是普林斯顿大学的爱德华•威顿（Edward Witten），他认为一切没有这么简单：“弦论是二十一世纪物理偶然落在了二十世纪”。

以后的事情被威顿不幸言中，第一次革命中的弦论得到了一些类似与现实世界的结果，但是并不能自然地完全地解释现实世界。更不幸的是，物理学家们发现了五种不同的弦论，它们看起来都是自恰的。我们想把两个理论合二为一，而结局却是四分五裂。弦论的发展停滞了下来，随着第一次革命的尘埃落定，弦论又重新回到了黑暗之中。

“黑夜给了我黑色的眼睛，而我，注定要用它来寻找光明。”五种不同的弦论，是令人沮丧的结局，同时，也是弦论新生的曙光。九十年代中期，以威顿、塞伯格(Nathan Seiberg)、施特劳明格(Andrew Strominger)、泡耳钦斯基(Joseph Polchinski)为首的一批物理学家发现，这五种看起来完全不同的弦论，居然存在着深刻的联系，它们是一个更基本理论的五个不同状态！这个更基本的理论叫做“M理论”，这使我们想起盲人摸象的故事。透过这个突破口向弦论的领域望去，我们看到了许多令人激动的结果，弦论的第二次革命开始了。

“时光总是流逝，街市依旧太平”。正如威顿对困难的充分估计，弦论的发展在第二次革命之后又变得缓慢了下来。尽管我们对弦论的认识比以前丰富了许多，但是一方面，弦论的很多基本问题仍然没能得到解决，另一方面，弦论需要的数学还没有完全被发展出来，需要物理学家筚路蓝缕，与数学家携手，一步一步地探索。

距离弦论的第二次革命，又一个十年过去了。在这十年中，物理学家们对弦论的认识稳步地加深着，但是，追寻统一的梦想并未因此离我们更近。在从弦论解释现实世界时，似乎存在数以10⁵⁰⁰计的解，如果这是真的，那么，弦论告诉我们，10⁵⁰⁰种不同的世界，都是可能的，这样，弦论本身不再能做出什么预言，而以它的几度风雨春秋成为了一个发人深省的寓言。但是，幸运的是，在这一点上，物理学家分成了两个派别，一个派别致力于证明，我们将发现新的准则，使得在这10⁵⁰⁰种不同的世界中，只有少数是真正可能的，另一个派别倾向于认为，在近乎无数可能存在的世界中，我们只会生存在适合智慧生命生存的世界中，于是，生命存在的条件，决定了我们能够预言什么。无论是哪个派别，都孕育着弦论，以及我们统一的梦想，继续发展的新的希望。

王一

2006-6-24