膜的成熟和失踪的粒子
正当乔·波尔钦斯基致力于D-膜的研究时,他在圣塔芭芭拉的同事安迪·斯特罗明格也在同时思索着p-膜——爱因斯坦方程的一个神奇的解:它们在某些空间方向无限延伸;而在另外的维度又表现得像黑洞,困住所有靠近的物体。而D-膜则是开弦终止的曲面。
斯特罗明格告诉我,每天午餐时间他和乔·波尔钦斯基都会讨论各自研究的进展:斯特罗明格会谈论p-膜,而乔·波尔钦斯基则谈论D-膜。虽然他们两人都在研究膜,但像其他所有物理学家一样,他们最初以为这两种膜是两种不同的东西。乔·波尔钦斯基最终意识到,原来它们是同一回事。
斯特罗伯格的工作显示了他正在研究的p-膜对于弦理论是非常重要的,因为在某些时空几何里,它产生了新型的粒子。弦理论有一个令人瞩目却有悖于直觉的假设:粒子是由弦的振动模式产生的。即便这一假设正确,弦的振动模式却未必能够解释所有的粒子。斯特罗明格证明,可能会有另外的一些粒子并不依赖于弦。
膜有不同的形状、形式和大小。尽管我们只集中注意到膜是使弦终止的地方,但膜本身也是独立的物体,能够与它们的环境互相作用。斯特罗明格研究的p-膜包裹着一个极微小的卷曲空间区域,他发现这些紧紧包裹的膜可以表现得像粒子一样。这样的膜可以比作一个系紧的套索:当你把一个绳圈套在柱子或牛角上拉紧时,绳索就会变紧。膜也一样,它可以包裹一个紧致的空间区域,如果那一空间区域很小,那么包裹它的膜也会很小。
这些微小的膜与我们熟悉的宏观物体一样,也是有质量的,而且质量随着体积的增大而增大:东西越多越重(如铅管、灰尘或樱桃一样),越少越轻。一个弯曲的膜包裹着一个极微小的空间区域,那它也会非常轻。斯特罗明格的计算显示,在极端情况下,当膜微小到你可想象的极限时,这一微小的膜看上去就如一个新的无质量粒子。斯特罗明格的结果非常重要,因为它表明即便是弦理论最基本的假设——所有东西都是由弦产生的,也并不总是成立,在粒子谱中,膜同样作出了贡献。
而乔·波尔钦斯基在1995年令人瞩目的发现是,这些由微小的p-膜产生的新粒子,用D-膜也可以解释。事实上,在他确立D-膜重要意义的论文里,乔·波尔钦斯基证明D-膜和p-膜实际是同一回事。在弦理论与广义相对论作出同样预言的能量上,D-膜融入了p-膜。尽管乔·波尔钦斯基和斯特罗明格起初并未意识到,但最终发现他们实际在研究同一件东西。这一结果意味着D-膜的重要性将不再有疑问:它们与先前的p-膜同样重要,而那些p-膜对弦理论的粒子谱是必不可少的。而且,有一种绝佳的方式来理解p-膜和D-膜为什么是等效的,其基础是一个微妙且重要的观念——对偶性。






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