尚未完成且未经过检验的弦理论,为何生命力如此顽强

尚未完成且未经过检验的弦理论,为何生命力如此顽强



弦理论是一种假设的关于一切的理论,它能够解释从自然力到物质组成部分的所有现实的基本微观方面。这是一种强大的理论,它已经有数十年的历史,但是它尚未完成且未经过实验检验。

在20世纪60年代之前,物理学家们都非常自信:他们发现了他们认为是物质(质子、中子和电子)基本组成的粒子。他们又在那几年完成了将量子力学和狭义相对论结合成量子场论的壮举,而量子电动力学(QED)又是量子场论中最成熟的分支。

但后来,他们开始研发非常强大的粒子对撞机。在这些仪器中,物理学家发现了一堆分裂的质子和中子,这表明这些粒子根本不是基本粒子。更糟的是,对撞机开始产生各种新的粒子。而统治它们的是一种新的自然力:强力。

用于开发QED的工具随着从对撞机中弹出的各种各样的粒子而崩溃。物理学家们不知所措,试图使用新的想法来解释这一切。于是一些理论家开始在数学的海洋中,寻找可能有用的数学工具。在那里,他们发现了量子力学创始人之一维尔纳·海森堡提出的一系列有趣的想法。

在量子力学的早期(20世纪上半叶),还不清楚用什么数学方法才能最好地解释所有这些奇怪的现象。在1930年代,海森堡提出一个相当极端的想法:不要采用常规的经典物理方法。这个经典物理方法为:

写下所有参与相互作用的粒子的起始位置;建立该相互作用的模型;跟踪粒子随时间的演化,用模型来预测结果。

相反,他认为我们可以跳过上述过程,开发一种叫做散射矩阵(s-矩阵)的机器,它能从初始状态立即跳到最终状态,这是我们真正想要测量的。这台机器将所有的相互作用编码在一个巨大的盒子里,我们不必担心系统的演化过程。

这是一个很好的想法,但它的证明太难了,最终不了了之。直到60年代物理学家陷入困境后,才又重新使用这种方法来研究新发现的强核力。理论家们扩展并发展了s矩阵的思想,发现某些重复自身的数学函数特别强大。

其他的理论物理学家也加入其中,忍不住想给这个框架一个传统的时空解释,并跟随粒子随时间的演化。在那里他们发现了一件令人惊讶的事情:为了描述这种强大的力量,它必须由微小的振动弦来携带。

这些弦似乎是强力的基本组成部分,它们的量子力学振动决定了它们在微观世界中的属性。换句话说,它们的振动让它们看起来和行动起来都像是微小的粒子。

最后,这个早期版本的弦理论,被称为重子弦理论,因为它试图解释的粒子种类,并没有达到预期的效果。它还要求存在速度超过光速的粒子,这是早期弦理论的一个主要问题,如果它们存在,就会公然违反非常成功的狭义相对论。

还有就是重子弦理论需要26个维度才能在数学上讲得通,考虑到目前宇宙发现只有四维,这真是一个难以下咽的苦果。

最终,重子弦理论的消亡有两个原因。首先,它的预测与实验不一致,这是一个很大的否定。第二,强力的另一种理论,包括一种叫做夸克的粒子和一种叫做胶子的力载体,能够被折叠到量子框架中并成功地做出预测。这个新的理论,被称为量子色动力学(QCD),今天仍然是我们关于强核力的理论。

从那以后,弦理论就逐渐消失在物理的大背景中。在20世纪70年代,一些理论学家们意识到它可以描述比强力更多的东西,并且他们找到了一种方法来摆脱理论中的超光速粒子的预测,它又复活了。这个理论仍然需要额外的维度,但是物理学家能够把这个数字降低到一个合理的范围。当我们意识到这些维度可能很小,并且蜷缩在我们观察不到的尺度之下时,弦理论似乎一点也不古怪。

今天,弦理论仍然存在。

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