Question

超弦理论浅谈

Answer 1

仅就人类有限的智识来看，至少在科学的框架内，客观世界由物质构成，所以探寻物质最为基本的组成单位，便成为了人类追求真理的应有之意，于是古往今来无数哲学家和科学家穷尽智识，向科学的圣杯、世界的真相发起冲击。1803年，英国物理学家约翰-道尔顿，继承古希腊朴素原子论和牛顿微粒说，最早提出近现代的原子学说。1897年，约瑟夫-汤姆逊剖开原子，发现电子，1919年，卢瑟福发现质子，1932年，查德威克发现中子。再后来，各种夸克、轻子、玻色子等60余种基本粒子被相继提出，那么组成世界的材料果真如此复杂且多样吗？许多人还想更进一步，给这个世界一个更加简单的解释，并进而揭示支配整个宇宙的终极法则，于是超弦理论应运而生，欢迎收看大型 娱乐 节目回到2049《超弦理论》。

在介绍超弦理论之前，我们自然要首先认识一下当今主流的粒子观，主流观点认为，构成物质的最小零件也就是基本粒子，可以分为两大类，一类名为强子，参与强相互作用力，它的基本组成单位就是我们熟知的夸克，包括上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和奇异夸克。另一类名为轻子，参与弱相互作用力、电磁力和引力，目前基本粒子模型中一共存在6种轻子：电子、电子中微子、μ中微子、τ中微子、μ子和τ子，也就是说，构成物质的基本粒子，一共有12种。那么刚才说的60多种又是怎么来的呢？这个问题就比较复杂了，首先反物质理论认为，每一种基本粒子，都存在一个与之相对的“影子基本粒子”，这个影子便是所谓的反粒子，反粒子的质量等性质，与原有粒子没有任何区别，但它们的电性是相反的，比如说电子的反粒子就是正电子，正电子的质量与电子完全相同，但它带的却是正电荷，早在1932年，美国物理学家卡尔-安德森，便在云室中发现了正电子的踪迹。而当一个粒子与它的反粒子相撞的话，那么它们的质量就会全部转化为能量，以光子等形式释放出去，这一过程就被称为“湮灭”。已经证实，当宇宙射线与大气相撞，或是在发生雷电时，自然界中就会产生反粒子，但它们很快就会与空气相撞，发生湮灭消失得无影无踪。

不仅是电子，其他11种基本粒子，也存在对应的反粒子，比如反电子中微子、反μ中微子、反τ中微子、反μ子和反τ子，这样一来，12种基本粒子就扩充为24种。另外，夸克还有一个独特的性质，这就是所谓的“色荷”，研究这一性质的学科名为量子色动力学。这个色荷很抽象，并不是说夸克本身带有颜色，事实上，色荷的概念是从色光三原色引申过来的，所以夸克也有三个色荷：红、绿、蓝。到底什么是色荷，我们可以将其简单理解为“产生强力的根源”，也就是说，依靠色荷，夸克得以结合到一起，并最终形成质子或是中子。也和三原色结合起来变成白光一样，质子或是中子中的三个夸克，也都具有不同的色荷，所以质子与中子，具有色荷在整体上一定是白色的这一性质。好了把色荷加上去之后，夸克就变成了一个庞大的集团，你可以自己数一数，一共是36种夸克，比如说红上夸克、红下夸克、反红上夸克、反红下夸克等等等等，再加上12种轻子，基本粒子的数量嗷一下就扩充到48种。

还剩下10几种基本粒子就很简单了，它们不是构成物质的基本粒子，而是传递力的基本粒子，物理学上将其称为“规范玻色子”或是“规范传播子”，包括各种胶子、玻色子、光子和希格斯玻色子，说了你也不懂，当然我也不懂。反正到最后一统计，就是61种基本粒子，这就是如今主流的基本粒子模型。

可以说，在基本粒子模型下，世界已经可以得到很好的解释，首先是宏观世界最为常见的电磁力，像是我给我自己一个大嘴巴子，我给你一个大嘴巴子，科学精神给我一个大嘴巴子，这些行为都是电磁力在发挥作用，当然了这些还比较复杂，我们举一个简单的例子，这就是用手按开关。我们知道，原子的中心是带正电的原子核，而带负电的电子则围绕着原子核高速运转，由于整个原子是电中性的，所以如果手指和开关不接触的话，那么就不会发生任何事情。但是当手指充分靠近开关时，手指表面的电子和开关表面的电子之间，就会产生电的斥力作用，而当手指进一步靠近开关时，就会因为泡利不相容原理，也就是两个电子不能占据同一个位置，从而产生斥力，这种斥力被称为简并压力。最终电力与简并压力相结合，手指就会产生按下开关的力。而且同样是由于电力把原子紧紧地结合在一起，所以受到压力的原子并不会四处散开，而是把力不断地传播下去，然后，灯亮了。至于电子之间为什么会产生斥力，基本粒子物理学认为，电子总是在不断地吸收光子或是释放光子，当某个电子释放的光子，被其他电子吸收之后，电子之间就会产生斥力，也就是说，力来源于光子的动量从一个电子传递给另一个电子的过程之中，由此可见，传递电磁力的规范玻色子正是光子。

强力和弱力的套路也差不多，不过这哥俩只表现在原子核级别的微观世界中，先看强力，研究发现，构成原子核的质子与中子，都是由3个夸克结合而成，其中组成质子的是2个上夸克和1个下夸克，而组成中子的则是1个上夸克和2个下夸克，如果设电子所带的电量为-1，那么上夸克带的电量就是+2/3，下夸克的带电量为-1/3，所以质子对外表现1个正电荷，而中子则不带电。既然夸克带电，那么它们之间自然也有电力作用，但实验却发现，促使它们结合在一起的力的强度，却高达电力的100倍，这个力就是强力。进一步的，强力的传递是通过胶子实现的，也就是说，夸克之间是通过交换胶子从而结合在一起。再看弱力，弱力是中微子与物质相撞时产生的力，当然了一般情况下，由于中微子不带电而且极其微小，它可以不受原子电磁力的影响，从而轻松穿透任何物质，但是当中微子与电子或是夸克极其接近时，它们之间会通过交换W+玻色子、W-玻色子或是Z玻色子等弱玻色子，产生弱力从而相撞，与此同时，中微子也会转变为电子。

总之不论是电磁力还是强力、弱力，它们的产生都是基本粒子之间通过交换基本粒子而实现的，但要注意的是，以上我们说的只是一种非常表面，也非常感性的解读，具体研究这一学问的学科是量子电动力学，那就十分复杂了，说了你也不懂。三种力解决完之后，人类马上遇到了一个大难题，这就是引力。长久以来，引力都是广义相对论的地盘，与量子论没有什么关系，爱因斯坦认为，引力诞生于时空的弯曲。如此一来，这个世界就有了两套完全不同的解释模型，量子论研究基本粒子等微观物质的运动，而广义相对论则研究空间、时间和引力。打个比方就是，量子论为自然界的演员提供了基本法，而相对论则为演员的舞台制定基本法，两大支柱共同撑起了现代物理学的大厦。

但物理学家们并不满足于存在两套基本理论的现状，他们前仆后继，试图创建一个统一量子论和广义相对论的终极理论，这就是量子引力论，试图把引力也纳入量子论的势力范围，也就是说，引力也可以套用以上模型，利用基本粒子的交换来进行解释。为此，物理学家还假想出了传递引力的基本粒子——引力子，引力子与光子相同，质量为零，同时也以自然界最大速度——光速行进。但问题是，一方面，引力子迟迟不肯现身，另一方面，基本粒子物理学认为，基本粒子是没有大小的点，如果存在引力子，自然也是如此。问题恰恰就出在这里，我们知道，引力的大小与距离的平方成反比，那么如果用引力子的交换，来计算作用于基本粒子之间的引力的话，当两个粒子之间的距离为0时，力就会变成无穷大，事实上，这不仅是引力独有的问题，其他三种力也会出现这个问题，但物理学家发明了一种计算方法，名为“重整化”，利用重整化，可以很好地处理电磁力、强力和弱力的无穷大，得出与实验结果相符的答案，但引力却不适用，为什么，咱也搞不懂。总之物理学家所面对的就是，要么接受两套独立的描述世界的标准，要么就得抛弃基本粒子没有大小的固有观念，最终在量子引力论的巨大诱惑之下，一部分物理学家选择了第二条路——基本粒子有大小，而它的表现形式就是弦，弦理论由此诞生，而将超对称理论与弦理论相结合，就是今天的主角——超弦理论。

简单来说，超弦理论认为，所有的基本粒子，事实上都由同一种弦构成，这个弦与弦乐器的弦非常相似，在弦乐器中，通过改变弦的振动方式，就可以使同一根弦发出不同的音调，同样的，超弦理论认为，基本粒子的性质差异，其实也是因为弦的振动模式不同而产生的。理论认为，弦的振动速度非常之快，其端点的速度就是光速，每秒的振动次数，更是高达10的42次方左右，基本上也是超出了人类的认知范围。当然了相比乐器的弦，超弦理论的弦要更加抽象，它是一种一维的存在，有长短，但却不存在粗细，也就是说，弦的横断面是大小为0的点。除了振动模式千差万别之外，弦也十分多变，它可以是有两个端点的“开弦”，也可以是一个圆环形状的“闭弦”，同时，一根弦可以分裂为两根，两根弦也可以结合为一根，反正就是你想怎么玩就怎么玩。弦还可以伸缩，所以它有点像是橡皮筋，不过如果把拉伸弦的张力，换算成质量的话，大约有10的40次方吨那么重，用专业的话说就是，弦具有极为巨大的张力，而且与日常生活中的橡皮筋不同的是，弦即使被拉长了，拉力也不会发生变化。至于弦有多长，理论认为，弦的长度超乎想象的极其微小，大约是10的-35次方米，也就是原子核的1000万亿分之一，普朗克长度的6倍左右。正因为如此，目前任何显微镜都是无法观测到弦的，也根本不可能通过实验来验证其真实大小，有很多物理学家对此抱悲观态度，认为在未来，也不可能做到这一点。所以至少在可预见的未来，超弦理论恐怕并不符合所谓的科学精神，它只能是一种解释世界的理想模型，真假尚未可知。

那么利用超弦理论来解释世界，真的就要比过去更加简单么？或许未必。因为研究发现，超弦理论需要某种特殊条件才能成立，这个条件就是：我们生活的世界是9维空间。所谓的9维空间，就是指可以让9条直线相互正交的空间，像是我们生活的空间，只能让3条直线相互正交，所以咱们就生活在三维空间。既然如此，我们就很难想象9维空间的真实样子，只能通过数学方法对其进行抽象的处理，比如说一个立方体，在三维空间中它的体积是边长的立方，那么一个9维立方体的体积，就是边长的9次方。同样的，与三维空间相比，弦在9维空间也有更多的振动方向，所以振动模式也会相应增多。但问题是，现实世界明摆着是一个三维空间，超弦理论却认为世界是9维空间，那么这个矛盾又该如何解决呢？我跟你讲我马上编不下去了，为了让超弦理论能活下去，物理学家们提出了一个大胆的想法，他们认为，超出三维的剩余6维，卷曲到极小隐藏了起来，变成了额外维度。

怎么理解？现在我们设想这样一个场景，从远处看一根细长的棍子，在我们眼中，它已经变成了一条没有粗细的线，也就是只有长度的1维物体，但是对于棍子上的蚂蚁来说，棍子的表面却是一个二维世界，因为它不仅可以沿着棍子的长度方向移动，也可以沿着与长度正交的圆周方向移动。所以对从远处看棍子的人来说，棍子在圆周方向上的这一维度，就是卷曲着隐藏了起来。所谓的卷曲，也被称为闭合，指的就是像棍子表面的圆周方向那样，行进到一定距离后会回到原点。超弦理论所主张的额外维度也是如此，只要把空间中的某一点充分放大，6个额外维度就会大白于天下，也就是说，高维空间其实黏附在空间的每一个点上，它并不神秘，也不是遥不可及，它就在我们的眼前，但你就是看不到。目前，物理学家还不清楚卷曲维度的尺寸，但有研究认为，应该与弦的长度大致相同，约为10的-35次方米，所以既然弦都观测不到，看到卷曲的维度也是遥遥无期。

以上就是弦的基本情况，要点就是三个，又短又快，不同振动模式表现为不同的基本粒子，最后一点就是，弦存在于9维空间之中，其中有6个维度卷曲起来看不到了。到此为止，超弦理论算是可以勉强地对物质进行解释，但世界显然不仅仅有物质，更重要的还有力，只有同时具有解释物质和力的能力，超弦理论才有可能成为万有理论，现在我们就看看超弦理论是怎么解释力的。超弦理论认为，所有基本粒子都是由弦构成的，所以传递力的基本粒子，不论是传递电磁力的光子，还是传递强力的胶子，抑或是传递弱力的弱玻色子，其本质也都是弦。比如