北京時(shí)間2月27日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，許多科學(xué)家都希望能用弦理論來(lái)解釋宇宙萬(wàn)物。弦理論認(rèn)為，宇宙中的所有力、所有粒子、所有常量和所有物體都處于同一物理架構(gòu)之下，我們所見(jiàn)的一切都是無(wú)數(shù)微小的、不斷振動(dòng)的“弦”的產(chǎn)物。理論學(xué)家們自從上世紀(jì)60年代以來(lái)就一直在研究弦理論。他們很快意識(shí)到，弦理論要想成立，宇宙中一定不止有我們習(xí)慣的四個(gè)維度。這種說(shuō)法聽(tīng)上去瘋狂，但其實(shí)有一定依據(jù)可循。

維度災(zāi)難

在弦理論中，由振動(dòng)的弦構(gòu)成的環(huán)表現(xiàn)為各式各樣的粒子(如電子、夸克、中微子等等)和自然力的載體(光子、膠子、引力子等等)。這是通過(guò)弦的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這些弦極其細(xì)小，在我們看來(lái)就像一個(gè)個(gè)點(diǎn)，但每根弦都能以多種模式振動(dòng)，就像用一根吉他弦可以彈出多種音符一樣。

科學(xué)家認(rèn)為，每一種振動(dòng)模式都與一類特定粒子相關(guān)。因此所有以某一種模式振動(dòng)的弦都可能表現(xiàn)為電子，所有以另一種模式振動(dòng)的弦都像光子……以此類推。用弦理論的視角來(lái)看，我們所見(jiàn)的粒子碰撞其實(shí)是一大堆弦相互融合、又重新分裂的過(guò)程。

但這套理論要想成立，宇宙中只有四個(gè)維度是不夠的，因?yàn)橐话愕臅r(shí)空無(wú)法為弦提供足夠的振動(dòng)“空間”，導(dǎo)致它們無(wú)法表達(dá)成為世界上所有的粒子。換句話說(shuō)，這些弦不僅會(huì)扭動(dòng)，而且還是“超維度”地扭動(dòng)。

當(dāng)前的弦理論總共需要10個(gè)維度，此外還有一套更大膽的弦理論(名叫M理論)，共需要11個(gè)維度。但放眼宇宙，我們只能看到三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度。如果宇宙中不止有四個(gè)維度，我們一定早就注意到了。

問(wèn)題來(lái)了，一方面是弦理論要求宇宙中存在多個(gè)維度，一方面是我們?cè)谟钪嬷兄荒荏w驗(yàn)到四個(gè)維度，這兩大矛盾如何才能做到和諧統(tǒng)一呢?

蜷曲與壓縮

弦理論的概念看似極端，但好在歷史上有前身可以追溯。

1919年，在愛(ài)因斯坦剛剛發(fā)表廣義相對(duì)論之后不久，數(shù)學(xué)家與物理學(xué)家西奧多·卡魯扎(Theodor Kaluza)純粹出于興趣，研究了一下廣義相對(duì)論的方程式。而他向方程中加入了第五個(gè)維度后，發(fā)生了一件有趣的事情——事實(shí)上，什么都沒(méi)有發(fā)生，相對(duì)論方程并不會(huì)受到維度多少的影響。

但卡魯扎對(duì)第五個(gè)維度做了一些改動(dòng)，讓它圍繞自身蜷曲起來(lái)、變成“圓柱狀”。加上這條新要求后，卡魯扎又有了新發(fā)現(xiàn)：除了在四個(gè)普通維度下的廣義相對(duì)論方程外，他還導(dǎo)出了電磁力的表達(dá)方程。這樣看來(lái)，似乎增加宇宙中的維度數(shù)量便有可能實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的大一統(tǒng)。

事后來(lái)看，這種想法略有些言過(guò)其實(shí)。但在幾十年后，一位名叫奧斯卡·克萊因(Oskar Klein)的物理學(xué)家試圖從量子力學(xué)的角度解讀卡魯扎的理論。他發(fā)現(xiàn)，若真的存在第五種緯度，且該維度在某種程度上與電磁力有關(guān)，那么這個(gè)維度必須卷曲起來(lái)才行(和卡魯扎的最初想法一致)，但尺度要小得多，僅為10-35米。

弦理論的眾多流形

如果這個(gè)(或這些)額外維度真的這么小，就無(wú)法被我們注意到了，就連高能量實(shí)驗(yàn)也無(wú)法直接探測(cè)到它們的存在。而如果這些維度呈卷曲狀，那么每當(dāng)我們?cè)谒木S空間中移動(dòng)一下，就相當(dāng)于圍繞這些額外維度轉(zhuǎn)動(dòng)了成百上千億圈。

而弦理論的“弦”正是存在于這些維度之中。

借助進(jìn)一步的數(shù)學(xué)手段，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，弦理論所需的另外六種空間維度必須蜷曲成一類特定形狀，即所謂的“卡拉比-丘流形”(Calabi-Yau manifolds)。但弦理論所允許存在的流形遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一種，而是約多達(dá)10200000種。如此看來(lái)，如果讓六個(gè)維度隨心所欲地卷曲起來(lái)，它們便會(huì)“無(wú)所不用其極”。

這些額外維度有許多種蜷曲方式，而每種配置都會(huì)影響維度內(nèi)部的弦的振動(dòng)方式。既然弦振動(dòng)的方式?jīng)Q定了它們?cè)诤暧^世界中的表現(xiàn)，那么每一種流形都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的宇宙，每個(gè)宇宙都擁有自己的一套物理法則。

因此，只有一種流形創(chuàng)造了我們所在的這個(gè)世界。但究竟是哪一種呢?

不幸的是，弦理論暫時(shí)無(wú)法告訴我們答案。麻煩之處在于，弦理論的問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。我們只有五花八門的近似解法，希望能借此揭開(kāi)事情的真相。但就目前而言，我們還不清楚自己的結(jié)論有多正確。從特定的流形、到特定的弦振動(dòng)方式、再到宇宙的物理法則，對(duì)于這一長(zhǎng)串問(wèn)題，我們都缺少能予以解決的數(shù)學(xué)技術(shù)。

對(duì)此，弦理論學(xué)家提出了“地形”(Landscape)的概念，即由從各種流形推測(cè)出的宇宙構(gòu)成的一個(gè)多重宇宙。在這張“地形圖”上，我們的宇宙只是眾多小點(diǎn)中的一個(gè)而已。

而弦理論如今的狀態(tài)也是如此，茫茫然不可知。(葉子)