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弦理论:世界理论物理学上的一个尚未被证实的理论

2021-03-06 13:00

  弦论,即弦理论(string theory),是理论物理学上的一个尚未被证实的理论。这种理论认为宇宙是由我们所看不到的细小的弦和多维组成的。弦论要解决的问题是十分复杂困难的,如了解为何宇宙中有这些物质和交互作用、为何时空是四维的。因为没有其它任何一个理论在这个目标上的进展可与之比拟,弦论无疑地仍是值得继续努力研究。

  弦论的发现

  弦论的发现不同于过去任何物理理论的发现。一个物理理论形成的经典过程是从实验到理论,在爱因斯坦广义相对论之前的所有理论无不如此。一个系统的理论的形成通常需要几十年几百年甚至更长的时间,牛顿的万有引力理论起源于伽利略的力学及第谷,开普勒的天文观测和经验公式。

  一个更为现代的例子是量子场论的建立。在量子力学建立(1925/26)之后仅仅两年就有人试图研究量子场论,量子场论的研究以狄拉克将辐射量子化及写下电子的相对论方程为开端,到费曼(Feynman),薛温格(Schwinger)和朝永振一郎(Tomonaga)的量子电动力学为高潮,而以威尔逊(K.Wilson)的量子场论重正化群及有效量子场论为终结,其间经过了四十余年,数十甚至数百人的努力。

  广义相对论的建立似乎是个例外,尽管爱因斯坦一开始已经知道水星近日点进动,他却以惯性质量等于引力质量这个等效原理为基础,逐步以相当逻辑的方式建立了广义相对论。如果爱因斯坦一开始对水星近日点进动反常一无所知,他对牛顿万有引力与狭义相对论不相容的深刻洞察也会促使他走向广义相对论。尽管同时有其他人如阿伯拉汗(Max Abraham),米(Gustav Mie)试图改正牛顿万有引力,爱因斯坦的从原理出发的原则使得他得到正确的理论。


  弦论发现的过程又不同于广义相对论。弦论起源于一九六零年代的粒子物理,当时的强相互作用一连串实验表明存在无穷多个强子,质量与自旋越来越大越来越高。这些粒子绝大多数是不稳定粒子,所以叫做共振态。当无穷多的粒子参与相互作用时,粒子与粒子散射振幅满足一种奇怪的性质,叫做对偶性。

  1968年,一个在麻省理工学院工作的意大利物理学家威尼采亚诺(Gabriele Veneziano)翻了翻数学手册,发现一个简单的函数满足对偶性,这就是著名的威尼采亚诺公式。应当说当时还没有实验完全满足这个公式。很快人们发现这个简单的公式可以自然地解释为弦与弦的散射振幅。

  这样,弦理论起源于一个公式,而不是起源于一个或者一系列实验。伯克利大学的铃木(H.Suzuki)据说也同时发现了这个公式,遗憾的是他请教了一位资深教授并相信了他,所以从来没有发表这个公式。所有弦论笃信者都应为威尼亚采诺没有做同样的事感到庆幸,尽管他在当时同样年轻。

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