北京時(shí)間2月18日消息，弦理論是一種聲稱有可能成為“萬有理論”的假說，能夠從最基本的微觀尺度來解釋所有現(xiàn)實(shí)，包括自然力和組成所有物質(zhì)的基本粒子。這是一個(gè)強(qiáng)大的理論，但并不完整，也沒有經(jīng)過檢驗(yàn)，但至今已經(jīng)存在了幾十年。

然而，這個(gè)理論本身的開端并不順利。研究者最初是用弦理論來解釋強(qiáng)核力，而這并不是該理論所擅長的。

從散射矩陣開始

直到20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家還相當(dāng)自信，他們覺得自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了所謂的物質(zhì)基本成分，即質(zhì)子、中子和電子。他們還完成了將量子力學(xué)和狹義相對(duì)論與量子電動(dòng)力學(xué)(QED)統(tǒng)一起來的壯舉，后者是對(duì)電磁力的完全量子描述。

但是后來，在研發(fā)出了超級(jí)強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)之后，突然間，物理學(xué)家開始不喜歡他們已有的發(fā)現(xiàn)。通過這些儀器，物理學(xué)家對(duì)一大堆質(zhì)子和中子進(jìn)行了撞擊，使其分裂，表明這些粒子根本不是基本粒子。更糟的是，對(duì)撞機(jī)開始產(chǎn)生各種新的粒子，包括介子、π介子，k介子、Ξ粒子，等等。

控制它們的是一種新的自然力：強(qiáng)相互作用，又稱強(qiáng)核力。隨著不同的粒子從對(duì)撞機(jī)中出現(xiàn)，發(fā)展出量子電動(dòng)力學(xué)的工具迅速分崩離析。物理學(xué)家們不知所措，他們?cè)敢鈬L試新的想法。于是，一些理論物理學(xué)家開始絞盡腦汁，在前人的研究中尋找可能有用的數(shù)學(xué)工具。他們發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)創(chuàng)始人之一維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)提出的一系列有趣的想法。

于是，弦理論誕生了!

在量子力學(xué)的早期(20世紀(jì)上半葉)，研究者還不清楚該用什么數(shù)學(xué)方法才能最好地解釋這門新學(xué)科中所有奇怪的現(xiàn)象。20世紀(jì)30年代，海森堡提出一個(gè)相當(dāng)極端的想法。當(dāng)時(shí)流行的經(jīng)典物理學(xué)方法是：1)寫下相互作用中涉及的所有粒子的起始位置;2)建立關(guān)于這一相互作用的模型;3)按照這些粒子隨時(shí)間的進(jìn)化，用模型來預(yù)測(cè)結(jié)果。

海森堡的想法正好相反，他認(rèn)為，為什么我們不直接跳過所有這些步驟，而是開發(fā)一個(gè)機(jī)器，叫做散射矩陣(scattering matrix，又稱S矩陣)，它可以從初始狀態(tài)直接跳到最終狀態(tài)。我們真正想要測(cè)量的就是這一最終狀態(tài)。這臺(tái)機(jī)器將所有相互作用都編碼在一個(gè)巨大的盒子里，而不用擔(dān)心系統(tǒng)的進(jìn)化。

這是一個(gè)很酷的想法，但現(xiàn)實(shí)證明，它很難讓任何人興奮起來，最終只能不了了之——直到物理學(xué)家在60年代陷入絕望。

通過重新使用散射矩陣方法來研究新發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)核力，理論物理學(xué)家們擴(kuò)展并發(fā)展了這一思想，并發(fā)現(xiàn)某些重復(fù)的數(shù)學(xué)函數(shù)特別強(qiáng)大。

其他理論物理學(xué)家也加入進(jìn)來，給這個(gè)框架加上了時(shí)間和空間的傳統(tǒng)解釋，并遵循了粒子的演化。他們由此取得了一些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：為了描述這種強(qiáng)相互作用，必須引入微小的、不斷振動(dòng)的弦。

比光子還快

這些弦似乎是強(qiáng)核力的基本組成部分，其量子力學(xué)振動(dòng)決定了它們?cè)谖⒂^世界中的屬性。換句話說，弦的振動(dòng)使其自身的外在特征和行為都像是微小的粒子。

最終，這個(gè)弦理論的早期版本被稱為重子弦理論，對(duì)于它試圖解釋的粒子種類，并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。這個(gè)理論極其難以發(fā)揮作用，想以此做出預(yù)測(cè)幾乎不可能。它還要求存在速度超過光速的粒子，稱為速子(tachyon)。這是早期弦理論的主要問題之一，因?yàn)樗僮硬⒉淮嬖?如果速子存在，就會(huì)公然違反非常成功的狹義相對(duì)論。

另外，重子弦理論需要26個(gè)維度才能在數(shù)學(xué)上講得通?？紤]到宇宙只有四維，這個(gè)理論真的是讓物理學(xué)家難以消受。

重子弦理論的最終消亡有兩個(gè)原因。首先，它做出了與實(shí)驗(yàn)不符的預(yù)測(cè)，而這是一個(gè)非常大的缺陷。其次，強(qiáng)核力的另一種理論(包括一種稱為夸克的新假想粒子，以及一種能在兩個(gè)夸克之間傳遞強(qiáng)作用力、被稱為膠子的基本粒子)，能夠被折疊到量子框架中，并成功地做出預(yù)測(cè)。這個(gè)新的理論就是量子色動(dòng)力學(xué)，直到今天仍然是關(guān)于強(qiáng)核力的主流理論。

至于弦理論，幾乎已經(jīng)消失在背景中。在20世紀(jì)70年代，一旦理論物理學(xué)家意識(shí)到弦理論可以描述的范疇似乎超越了強(qiáng)核力，而且在找到方法擺脫理論所預(yù)測(cè)的速子之后，弦理論又會(huì)復(fù)活。盡管這個(gè)理論仍然需要額外的維度，但是物理學(xué)家已經(jīng)可以將維度數(shù)量從26降低到10，聽起來似乎更合理了?？紤]到這些維度可能很小，并且蜷縮在我們可以直接觀察到的尺度之下，弦理論似乎一點(diǎn)也不古怪。

今天，依然有人在研究弦理論，并且仍然在試圖用它來解釋強(qiáng)核力。甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為，弦理論有可能是量子引力的解決方案之一，并可能成為大統(tǒng)一理論。未來會(huì)如何呢?讓我們拭目以待。

什么是弦理論？

弦理論又稱弦論，其主要思想是用一段段“能量弦”作為最基本單位，說明宇宙中所有的微觀粒子(如電子、夸克、中微子等)都是由一維的能量弦組成;換句話說，弦理論主張“弦”以不同的振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)了自然界的各種基本粒子。目前廣為接受的物理模型認(rèn)為，所有物質(zhì)是由零維的點(diǎn)粒子組成的，能夠成功解釋和預(yù)測(cè)許多物理現(xiàn)象和問題，但這一粒子模型也遇到了一些難以解釋的問題。相比之下，弦理論的基礎(chǔ)是波動(dòng)模型，能夠避開粒子模型所遇到的問題。更深入的弦理論不只是描述弦狀物體，還包含了點(diǎn)狀、薄膜狀物體，以及更高維度的空間，甚至平行宇宙。不過，弦理論目前還未能做出可以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。(任天)