弦理论培训
有关物质的本质,弦理论的观点与传统粒子物理大不相同。根据弦理论,物质的已知最根本不可分结构是弦——振动的一维能量环或线段。通常的物质,如小提琴的弦,都由原子构成,而原子由电子和原子核构成,原子核又由夸克构成。这些弦则不一样,事实上恰恰相反:它们是最根本的弦。这意味着所有东西,包括电子和夸克,都是由它们的振动构成的。
根据弦理论,一个纱质小猫玩具是由原子构成的,而其最终根本是由弦的振动构成的。
弦理论大胆激进的假设粒子是由弦的和谐共振产生的,对应每一个粒子都会有一个基本弦的振动,而振动的特征就决定了粒子的属性。因为弦可以有多种振动方式,由此就产生多种类型的粒子。理论学家最初以为,基本弦只有一种类型,它构成了所有的已知粒子。但就在几年前,这一图像发生了变化。现在我们相信,弦理论里包含了多种不同的、独立的弦类型,每种类型都可能有多种不同的振动方式。
弦只会沿着一个方向延伸,在任一特定时刻,你只需一个数字就能确定弦上的一点,因此,根据我们对维数的定义,弦就是一维(空间维度)物体。但是,就如我们现实世界里的琴弦一样,它们也可以卷起或绕成一个圈。事实上,弦有两种类型:一种开弦,有两个端点;
一种闭弦,是没有端点的闭合圈(如图14-1所示)。
弦实际形成哪种粒子取决于弦的能量以及由此激起的具体的振动模式。弦的模式就如小提琴弦的共振模式,你可以把这些振动当做能结合成所有已知粒子的基本单位。以这种语言来描述,粒子就是合唱,而相互作用就是和声。如果不用琴弓,小提琴不可能发出各种各样的声音,同样,弦理论的弦并不总能形成所有的粒子。就如琴弓会使小提琴弦产生各种不同的振动方式一样,能量会激起弦的模式,当弦具备足够的能量时,就会产生不同的粒子类型。
对于开弦和闭弦,共振方式就是沿着弦的长度所进行的整数倍的振动次数。图14-2显示了这样的几种方式。在这些模式里,波会以整数倍上下振动,而所有的振动都是在弦的长度上完成的。在开弦里,波的振动到达弦的终点后,接着返回,如此循环往复;而闭弦上的波,缠绕着闭合弦圈上下振动。任何其他形式的波——那些不能完成整数倍振动的波——都不能存在。
最终,弦的振动方式决定了粒子的所有属性,如质量、自旋和电荷。一般说来,具有相同自旋和电荷的粒子有很多不同的复本,有着不同的质量。因为这种模式的数量无限,一个弦就有可能生成无数的重粒子。已知的粒子相对较轻,都是由最少振动的弦形成的。我们熟悉的轻粒子,如通常的夸克或轻子,可能就是没有振动的模式。但高能量的弦会以多种方式振动,因此,弦理论的突出特征在于它的重粒子,它们是由更高的振动模式形成的。
可是,更多的振动就需要更高的能量。弦理论里由更多的振动产生的额外粒子很有可能极重,生成它们需要大量的能量。因此,即使弦理论正确,它的新奇结果也很可能难以探测。我们不期望能以可得到的能量生成新的重粒子,但我们期望弦理论和粒子物理能在可探索的能量上产生同样的可观察结果。如果有关额外维度的某些最新成果是正确的,这一景象将发生变化。但现在,让我们先来回顾一些传统的弦理论,然后再探讨额外维度模型。
弦理论的起源
到未来艾克的时代,弦理论足可以炫耀其悠久的历史了,但出于科学的目的,我们将把故事局限在20世纪和21世纪早期。现在我们把弦理论当做有可能协调量子力学和引力的理论,但最初它却有着完全不同的应用。这一理论最初出现是在1968年,它本意是要描述强子的强相互作用。那一理论并不成功;就如在第7章里看到的,现在我们知道强子是由夸克通过强力紧紧束缚在一起形成的。但弦理论却得以存续——不是作为强子的理论,而是作为引力理论。
尽管它对强子的描述是失败的,但通过检验强子弦理论所面临的几个问题,我们可以看到关于引力的弦理论的几个良好特征。尤为引人注意的是,强子弦理论的失败之处恰恰是量子引力弦理论的补偿特征(至少不是障碍)。
最初的弦理论遇到的第一个问题是,它含有一个“快子”。人们最初把快子当做是行驶速度超过光速的粒子(这一词汇来源于希腊语的“tachos”,意为“速度”)。但现在我们知道,快子表明了包含它的理论的不稳定性。令科幻迷遗憾的是,快子不是出现在自然界的真实物理粒子,如果你的理论包含一个快子,那你对它的分析肯定会出错。一个包含了快子的系统最终(将)会转变成一个不存在快子的相关低能系统,这一含有快子的系统不能维持足够长的时间来产生任何物理效应,它只是错误的理论描述的一个特征。在确定真正的物理粒子和作用力之前,首先需要对相关的没有快子的稳定结构作出一个理论描述,如果没有这样的稳定结构,理论将是不完整的。
有快子的弦理论似乎是不合情理的,但没人知道以什么方式消除快子从而构造一个弦理论。这就意味着来自弦理论的预言,包括那些有关粒子而非快子的预言,都是不可靠的。这样,可能你就会以为我们有足够的理由放弃强子弦理论,但物理学家把希望寄托在快子不是真实的,有人认为这只是在构造理论时所产生的数学近似问题,但事实可能并非如此。
但雷蒙、内弗和施瓦茨发现了弦理论的另一超对称形式:超弦理论。
超弦理论超越最初弦理论的一个关键优势在于,它包含了半整数自旋的粒子,这使它有可能描述标准模型的费米子,如电子和各种类型的夸克。但超弦理论还有另外一个收获,即它不含有困扰原版弦理论的快子。超弦似乎在各种情形下都更有希望,它没有妨碍其进步的快子不稳定性。
最初的强子弦理论存在的第二个问题是:它包含了一个自旋为2的无质量粒子。计算显示,没有办法能将它消除,而又从未有实验者发现过这种烦人的粒子。如果无质量的粒子相互作用如强子一般强烈,实验者早就该发现它们了。这样,强子弦理论似乎陷入了困境。
谢尔克和施瓦茨转变了弦理论的方向,他们证明:
令强子弦理论束手无策的自旋为2的粒子,事实上可能成为引力弦理论的无上荣耀,自旋为2的粒子可能就是引力子。
他们继续研究发现,自旋为2的粒子正如引力子应有的表现一样。弦理论包括引力子的一个候选者,这一关键性的发现,使得弦理论成为量子引力论的潜在理论。没有人能以粒子描述说明怎样构造一个在所有能量都适用的内在一致的引力理论,而弦理论的描述似乎能实现我们的愿望。
另有证据显示,尽管强子弦理论不会有效,但谢尔克和施瓦茨对引力的弦理论探索可能走对路了。在第7章我们看到,斯坦福线形粒子加速中心的弗里德曼、肯德尔和泰勒演示了电子由原子核的剧烈散射,表明其中存在的是坚硬、点状的物质,即夸克。这一实验与第6章描述的卢瑟福的散射实验本质是相同的:在卢瑟福实验里,剧烈的散射让我们发现了一个坚硬的原子核。而这一案例让我们想到,原子核里是点状的夸克——而不是蓬松的、伸展的弦。
可是,弦理论的预言与SLAC的实验结果并不相符:弦永远也不会引起急剧的散射,只有坚硬、紧致的物体才可能做到。因为在既定时间内,只有某些弦发生相互作用,弦的碰撞会更加轻柔,这一相对不那么剧烈、较为温和的散射便终结了强子弦理论。但是,换一个角度,从量子引力论的视角来看,这一属性似乎颇有前途。
在以粒子描述引力子的理论里,引力子的相互作用在高能量上过于强烈,而一个更完善的理论,不该预言这么强烈的高能引力子的相互作用。弦的引力理论正好做到了这一点。在弦理论里,伸展的弦取代了点状的粒子,这就保证了引力子在高能量上的相互作用不会那么剧烈。与夸克不同,弦不会产生有坚硬内核的散射过程,弦的相互作用发生在一个伸展的区域,有点“拖泥带水”,更为松散。这一属性意味着弦理论可能会解决引力子荒谬不合情理的高频率相互作用问题,正确预言高能引力子的相互作用。弦的高能软碰撞是引力弦理论可能正确的另一重要标志。
综上所述,超弦理论包含了费米子、承载力的规范玻色子和引力子——我们了解的所有类型的粒子,它不包含快子,而且,超弦理论包含了一个引力子,它的量子描述在高能量上可能是有意义的,看来弦理论有可能描述所有的已知粒子。这是一个颇有希望的关于世界的候选理论。
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