物理实验网 wlsyw.com
物质是否由弦组成
随着科学技术的发展，人类对于物质结构的认识逐渐深化。从20世纪30年代以来，人们不断从宇宙射线和原子核物理实验中发现基本粒子也有内部结构，“基本”粒子并不基本。那么，究竟什么是组成物质的最基本单元呢？近年来，理论界争论十分激烈的话题之一是，组成物质的基本单元竟是“弦”。学者们还创建了所谓“超弦理论”。
20世纪物理学有两大柱石：广义相对论和量子力学，它们分别是关于“时空、引力”及“分子、原子、基本粒子等微观领域一切现象”的理论。几十年来，这两大理论经历了许多科学实验的检验，证明了它们的正确。然而，始终困扰着物理学家的一个问题是：这两大柱石互不相容。当人们研究电子这样的粒子时，如果把它当成一个点粒子，然后认真地研究它的电场和引力场，那就会发现，电场和引力场的能量都得到了无穷大的结果：这显然是不符合实际的。如果单纯应用量子力学，由于势必应用其中的不确定关系，把电子看成模模糊糊一片，不再是个点；那么电场变得有意义了，而要同时使引力场也有意义却完全做不到。这样，把引力理论和量子力学结合在一起研究问题总会得到毫无意义的结论。人们不得不考虑，也许必须放弃传统的观念，另寻新的出路？传统观念认为物质是由粒子构成的，放弃这个观念，克服凡十年来物理学中的引力理论和量子力学之间的不协调的老问题，就诞生了组成物质的弦结构模型和超弦理论。 起初人们想用弦模型来解释核子内部的强相互作用力。但是20世纪70年代中期诞生的新学科“量子色动力学”描写强相互作用取得了公认的成就，于是大多数学者就放弃了弦模型。有的理论物理学家想到了超弦，于是它们在原来的基础上建立了“超弦理论”，将引力理论与量子力学协调起来。 其实，早在本世纪20年代，就有人提出过超弦理论，不过那时人们并没发现它的重要性；到了70年代初，物理学家也只是请它来说明强相互作用的某些方面；70年代后期，物理学家仍然对超弦缺乏兴趣，因为理论上由超弦构造的世界和真实的世界简直风马牛不相及。1984年，美国物理学家约翰·史瓦兹和英国物理学家米卡尔·格林共同提出的弦理论开始接近了真实的世界；1985年上半年，美国普林斯顿大学戴维·格劳斯教授和他的同事们提出了一个所谓的“杂交弦理论”，这样，人们才对超弦刮目相看，因为用它可以说明许多科学事实，例如，宇宙中存在四种基本力，宇宙中存在夸克、电子、光子等等。超弦理论总算在科学大厦中占得了一席之地。
在超弦理论中，电子不再是一个点，而是一段小小的振动着的弦。不但电子，而且夸克、光子、引力子等粒子也都被一段很小的弦所代替。这些弦有多大呢？它们大约只有10-33厘米。原子的大小是10-8厘米，质子的大小是10-13厘米，它们都够小了，然而拿它们和弦模型相比，就像大阳系和原子相比一样，可见弦是十分小的。相比之下，由超弦构成的最小的亚原子粒子夸克，竟然显得不可思议的庞大。 超弦理论认为，物质不再是由粒子构成，也是由这些不断振动的弦构成。这些弦可以有无穷多种模式振动，任何一种特定频率的振动，都相当于一个或一组粒子。电子、夸克、光子或其它“基本”粒子，实际上都是弦的最低的可能振动模式。凭弦上所带的电荷、强荷、弱荷等各种荷，就可以区分不同的粒子。弦有两种，一种是开弦，一种是闭弦，开弦的端点上带有上述的各种荷，而闭弦的整个弦上都弥散着这些荷。现在看来，关于闭弦的理论最有成功的希望。 超弦只有长度而没有宽度，就像一根琴弦，超弦名字中的“弦”字就是由此而来，至于“超”字，是因为它符合一种称为“超对称”的变换，变换的细节这里就不详说了。 超弦或呈环状，或呈线状，始终振动着、碰撞着，振动和碰撞的不同模式，则决定了该弦的性质。诸如电荷性和自旋性等等，亦即决定了该弦所对应的微观粒子。因此，物理学家就用超弦来统一各种粒子，因而四种基本力也就得到了统一。 超弦理论还认为，空间有九维，加上时间一维，统称“十维时空”。这增加出来的六维空间，只在10-33厘米这样极小极小的范围内才存在，一般情况下人们感觉不到是不足为怪的，因为目前粒子物理学的实验尺度才达到10-16厘米数量级，人们熟知的质子尺度是10-13厘米，在这些尺度上可感知的空间仍然是三维的。
目前，根据超弦理论，物理学家已经能够解释为什么自然界会存在四种基本作用力；超弦理论既包含了引力理论，又包含了量子力学，能把两者协调起来，这也是超弦理论的一个惊人的成就；利用超弦理论，能量计算结果不再是无穷大，而是有限的，这也是很有意义的，它令研究人员十分激动。 有人认为，一旦超弦理论被实验证实，它所引起的物理学革命将比本世纪初的物理学革命更有深远的意义。 超弦理论虽然在解释物质世界的构成，宇宙天体的结构以及相对论与量子力学的结合方面取得了成功，但也存在着一些不小的问题： (1)．超弦理论中的弦不在我们感觉到的普通的三维空间和一维时间里，而要求时空为10维这是令人惊奇的。物理学家们对10维时空作了很多解释。他们认为，在包含引力的理论中，10维中多余的6维数可以倦缩起来。就像一条消防用的水龙软管，它是一个两维面：一维是一条长长的线，另一维是一个圆。如果你在很远的地方看，只看到一维的长线，只有离近它，才会发现还存在着另一维。但是这些物理学家不能回答这样的问题：“为什么从一个10维的理论开始，刚好有6维倦缩起来？”于是有的研究人员辩解说：物理学中很多东西都比超弦理论中多余的维数奇怪得多。广义相对论是奇怪的，量子力学是奇怪的，反物质也是奇怪的，所有这些奇怪的东西却又是真实的。 (2)．弦理论需要建立一些新的基本思想、新的原理和基本方程，但是，目前这些还没有建立。这使得持反对观点的物理学家认为，超弦理论是靠猜测把很多东西添进去的奇怪的理论。 (3)．目前的弦理论既不能对基本粒子的性质给出非常细致的预言，也不能用弦模型描写“黑洞”这样的引力问题。 (4)．实验物理学家们一直对弦理论持怀疑态度。 那么，究竟有没有可能用实验验证超弦理论呢？弦小到只有10-33厘米，而目前粒子物理学的实验尺度才达到10-16厘米数量级，离10-33 厘米相去甚远，这样微小的尺度，是目前人类没有任何希望在实验室直接测量的，这样弦理论和实验的联系就是个空白。有些物理学家认为可能我们永远看不到超弦本身，但是，我们可以通过检验它所直接预言的某些粒子的存在，间接证明其正确性。因为其中某些校轻的粒子，物理学家有可能在高能粒子加速器中发现。 大部分理论物理学家对超弦所描绘的宏伟远景充满了希望和信心，可是也有一些物理学家却并不乐观。有人戏谑道：“想用超弦理论计算电子质量，其困难程度不亚于从分子、原子结构出发计算人的行为”。更有的反诘道：“超弦理论确实美妙绝伦，不过，超弦究竟有没有呢？”然而，大争论历来都是使科学理论产生飞跃的强大推动力。超弦理论经过80年代未的热潮之后，已经转入更加深入细致的研究。物质是不是由弦构成的？理论界存在着针锋相对两种观点，仁者见仁，智者见智，到底哪个观点正确呢？让未来作回答吧。
原作：冯华
http://www.wlsyw.com 整理：占礼葵
返回