關(guān)于宇宙，弦理論又能告訴我們些什么呢？

Sten+Odenwa+ld

近一個世紀以來，科學家已經(jīng)知道，物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，而原子又是由電子、質(zhì)子和中子以多樣的方式組合而成的。20世紀60年代，物理學家發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)更深一層的結(jié)構(gòu)，質(zhì)子和中子由古怪的粒子——夸克——構(gòu)成?，F(xiàn)在已經(jīng)知道了6種夸克， 它們（成雙或成三）的組合可以解釋宇宙中所有質(zhì)量較大的粒子——質(zhì)子、中子——以及在實驗中冒出來的許多其他另類粒子（例如膠子和玻色子）。

這是我們對宇宙中物質(zhì)的基本認識，但粒子之間是如何相互作用的呢？從20世紀30年代至今，物理學家研究了描述宇宙中四種基本作用力——引力、電磁力、弱核力和強核力——的細致數(shù)學模型。我們可以把它們中的每一種都看成是作用于空間中的場。更有意思的是，這四種基本“力場”可以通過交換粒子來構(gòu)建：光子傳遞了電磁力；8種不同的膠子傳遞了強核力，使得夸克被束縛在質(zhì)子內(nèi)部；3種中間矢量玻色子傳遞了弱核力，后者控制著放射性過程；一些物理學家相信，引力子傳遞了引力，但它們迄今還未被發(fā)現(xiàn)。

在這一標準模型中，科學家通過這些各式各樣的詳細數(shù)學理論將對物質(zhì)和力的描述集為一體。當物理學家試圖預言在他們昂貴的粒子對撞機中會發(fā)生什么的時候，它構(gòu)成了計算的支柱。不管是設計新的技術(shù)，還是開展新的實驗，乃至研究黑洞的特性，他們都會從久經(jīng)考驗的標準模型的數(shù)學方程開始。

標準模型漂亮而簡單，但它看上去似乎并不完整?？茖W家可以把這些作用力中的兩種——電磁力和弱核力——統(tǒng)一進一個數(shù)學理論，還可以在大統(tǒng)一理論下把強核力也納入其中。然而，引力倔強地游離在它們之外，因此，物理學家需要用兩種迥異的方式來描述大自然中四種力的作用。如果只用一種方式來描述豈不是更好？這正是對終極理論的探求，超弦理論是目前最有希望成功的理論。那么，物理學家為什么必須通過弦理論來修補標準模型呢？關(guān)于宇宙，弦理論能告訴我們些什么？

進入深處

在過去的70多年中，為了實現(xiàn)大統(tǒng)一，科學家已提出了許多理論方案，但這些理論中的大多數(shù)都存在嚴重的數(shù)學問題。例如，有時計算得到的概率會是負值或者超過100%。根據(jù)其中一個模型，計算發(fā)現(xiàn)存在超光速運動的粒子，科學家將其稱為快子。

但是，從20世紀80年代初開始，有一個有趣的方案受到了眾多物理學家的追捧。

根據(jù)標準模型，粒子都是點狀的。也就是說，無論科學家怎么想辦法探測一個粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，他們得到的都不過是一個更小的能量“點”，它呈現(xiàn)出這個粒子的所有特性：質(zhì)量、電荷和自旋。這會引發(fā)嚴重的數(shù)學問題。想象一下，把一個電子的質(zhì)量和能量擠壓進一個越來越小的球體內(nèi)，最終，它會變成空間中一個無窮小的點，此時，它的質(zhì)量和能量密度則會變得無窮大。這個無窮大會使得任何涉及質(zhì)量和能量密度的計算都變得不可行。因此，大約在30年前，物理學家提出了一個解決辦法，用不會消失的其他構(gòu)形來代替粒子的內(nèi)部形狀，例如閉合的能量環(huán)，即弦。

基本的想法是，每一個物質(zhì)粒子（電子、夸克、中微子等）以及每一個傳遞相互作用的粒子（光子、膠子、中間矢量玻色子和引力子）其實都是某種微小的一維環(huán)。它可以是開放的，有兩個端點，也可以是閉合的，構(gòu)成一個環(huán)。當這個一維弦環(huán)隨時間運動時，它會掃過一個二維的表面。它還可以分裂成兩個不同的弦環(huán)，構(gòu)成兩個閉合的表面。這些表面被稱為世界面。一根弦分裂成兩根，則對應于一個粒子衰變成兩個。把這個過程反過來，兩根弦變成一根則對應于兩個粒子的碰撞和并合。這些環(huán)也能向琴弦那樣振動，其振動的精確方式?jīng)Q定了它所代表的基本粒子的確切特性。對應于大質(zhì)量粒子的弦振動的頻率較高，反之亦然。

那么這些弦看上去像什么呢？先問個問題，你最近一次碰到一維的東西是什么時候？其實我們從來就沒有看到過這樣的東西，更不要提它們是什么樣子了，比如顏色、質(zhì)量、大小，等等。我們試圖描述的弦的每一個特性都植根于我們的三維經(jīng)驗。于是，一個基本的問題是，這樣一個物理實體具有的特性是否超出了我們的經(jīng)驗？幸運的是，這在數(shù)學上根本不是問題。這也正是物理學家可以精確處理一維弦的原因。

此外，科學家知道，類似電子這樣的粒子并不僅僅是一個有著表面的微小球體。事實上，它們是有著特定屬性的無窮小的能量結(jié)點。對人類的思想而言，一大挑戰(zhàn)是去想象基本粒子的真正本質(zhì)——無論是一個能量點還是一根弦。

探索不同的維度

把這些弦和普通粒子及其特性相連的數(shù)學描述只有在十維的宇宙中才奏效，這讓事情變得更為詭異。我們所處的普通宇宙由三維空間和一維時間構(gòu)成，因此，弦理論的數(shù)學要求再增加6個額外的維度，同時，它們自身還要完全閉合且具有10-33厘米的有限大小。

拿一張二維的紙，將它緊緊地團起來。把它塞進一個乒乓球，然后把這個球壓縮到直徑只有10-33厘米——一些科學家認為，那6個維度就隱藏在這個物體中。在三維空間中的每一個點上重復這個過程，弦理論認為，你每這樣做一次就會得到一個不同類型的宇宙。這些緊致維度的確切幾何特性決定了在這個宇宙中到底會擁有什么樣的粒子以及它們的特有屬性。

一個三維球具有特定的幾何特性，使得粒子在其表面能以特定的方式運動。類似的，通過這些緊致維度的空間來控制弦的振動（及其所對應的粒子），形成了弦的張力和幾何特性。在這個緊致的空間中，每一種粒子都具有特定的由6個數(shù)字構(gòu)成的地址，這就好像巴黎在地球二維表面上有其唯一的經(jīng)度和緯度一樣。

毫無疑問，要畫出這樣的一個六維實體是很困難的。就算可以，我們也會為窮盡其所有特性而疲于奔命。在弦理論中，這樣的空間據(jù)估計有10500個，每一個都代表一個有著不同粒子和場的數(shù)學宇宙。這些空間中，有一些里面不存在電子，有一些里面則可以有12種不同的夸克，卻沒有光子，在這樣的空間里就不會有彩虹。

且慢，不止這些

如果我們得到的只是一個有關(guān)粒子看上去是什么樣子——在空間中震動的環(huán)而非點——的新模型，那我們還沒有簡化或者統(tǒng)一標準模型。要解釋我們已知的事物，還需要更為復雜的數(shù)學。弦理論還具有第二個特性，即超對稱。正如任何一個學過幾何的學生都知

道的，對稱性往往會使求解問題變得更為簡單。

由于立方體本身的對稱性，在三維空間中每轉(zhuǎn)90度就能看到它新的一面，但是立方體的形狀仍保持不變?？茖W家稱其為旋轉(zhuǎn)對稱性。 在20世紀70年代初，物理學家發(fā)現(xiàn)標準模型中的粒子也能在超對稱下彼此轉(zhuǎn)化。這一鏡像牽涉到量子力學和粒子的一種內(nèi)稟屬性，被稱為自旋。這個理論最吸引人的是，作為已知粒子類型間超對稱轉(zhuǎn)換的結(jié)果，它可以自動地包含引力——終于，有一個理論可以自然地容納所有四種基本作用力了。

然而，大自然永遠都不會無中生有，因此科學家不得不添加新的成分，使得超對稱的數(shù)學描述奏效。此時，標準模型中的每一種粒子都會被賦予一個新的超伙伴粒子，這樣才能使粒子間的變換在數(shù)學上可行。通過用這種方式拓展標準模型，科學家現(xiàn)在擁有了最小超對稱標準模型（MSSM）。這個模型不僅可以解決標準模型存在的許多問題，還為占據(jù)宇宙物質(zhì)總量8 5%的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)——提供了一種新的候選粒子。標準模型無法解釋這些看不見的物質(zhì)，但MSSM 中質(zhì)量最小的中性微子卻具備了解釋暗物質(zhì)所需的合適特性。

一起嘗試

20世紀80年代初，物理學家把超對稱引入弦理論，形成了超弦理論。 他們提出了5種不同類型的超弦理論，每一種都能以各自的方式解釋物理世界。之后在1995年， 物理學家意識到，這5個理論其實是一回事，他們將其稱為M理論。

這些理論彼此相連的方式可以用涉及改變長度的數(shù)學運算來精確描述，即對偶變換。一個與之類似且我們也更熟悉的例子是三維立方體的二維投影。一個三維立方體的真正形狀可以從其不同的二維投影中重建出來。通過在三維空間中轉(zhuǎn)動立方體，其每一個二維投影面都能變換成其他的樣子。你可以把十一維M 理論立方體的每一面想象成一個不同的十維超弦理論。十一維M 理論的詳細數(shù)學描述告訴科學家如何在十維超弦理論間進行變換。

迄今的證據(jù)

一些物理學家把MSSM 視為在不添加大量假設的前提下超越標準模型的最簡單途徑，而且它還預言了世界上最強大的粒子加速器——歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）——可檢測的新現(xiàn)象。科學家正在篩查數(shù)據(jù)，搜尋已知粒子的超伙伴粒子的蹤跡，其中一些最輕的質(zhì)量為幾萬億電子伏特，在LHC可檢測的范圍之內(nèi)。如果科學家什么也沒找到，那么他們就需要用更復雜的模型來取代MSSM，這些超伙伴粒子會具有更高的能量。那么，目前這些搜尋進展到哪一步了呢？畢竟LHC 已經(jīng)工作超過2年了。

好消息是，標準模型得到了很好的驗證。2012年7月，物理學家宣布他們發(fā)現(xiàn)了一種

粒子，它看上去就像是已經(jīng)被尋找了40多年、標準模型中最后一個尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子——

希格斯玻色子。

然而，2011年8月和2012 年11月接連傳來了壞消息，LHC的一組物理學家報告，他們

對特殊粒子B 介子衰變的研究并沒有發(fā)現(xiàn)超對稱的跡象。在超對稱的幫助下，這些粒子衰

變的速度應該快得多，但科學家在研究的幾萬億次衰變事件中沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

另一個壞消息是，在7萬億電子伏特的能標之下，科學家沒有找到任何有超對稱粒子存在的證據(jù)。這被認為是最簡單的超對稱模型（尤其是MSSM）的重大失敗。超對稱是科學家用來統(tǒng)一四種基本作用力的最簡單的數(shù)學模型，而大自然似乎也偏向于用更基本的理論來解釋我們這個世界。如果MSSM被證否了，那大自然著實大大地戲耍了一把地球上的科學

家。

2013年年初，LHC 被關(guān)閉，2015年重啟，開始完全在設計要求的13萬億電子伏特的對撞能量下運轉(zhuǎn)。物理學家已經(jīng)開始研究各種各樣的理論來預言最輕的超對稱粒子。計算發(fā)現(xiàn)，有幾十種新的粒子散布于LHC 完全滿負荷運轉(zhuǎn)后可及的范圍之內(nèi)，因此，一些樂觀者

感覺此事十拿九穩(wěn)。

這一賭注其實極端高昂：如果超對稱粒子被找到，那么發(fā)現(xiàn)之路就會為超越MSSM 的

超弦理論打開；如果科學家仍然沒有在LHC 中發(fā)現(xiàn)超對稱粒子存在的證據(jù)，那么最簡單的

MSSM 必然會被否定，而超弦理論也斷然不會被視為終極理論的最佳候選。這將是一大憾

事。

弦理論對粒子的描述為描述新的粒子和現(xiàn)象提供了富庶的框架，拓展了人類對空間和

時間的認識。然而，其缺點是，這些粒子中絕大多數(shù)的質(zhì)量都超出了LHC 可探測的能標。這也是其最大的問題。

絕大多數(shù)科學家認為，在全世界多個國家花費數(shù)十億美元建造了LHC，旨在發(fā)現(xiàn)“新物理學”，卻什么也沒發(fā)現(xiàn)之后，將很難籌集更多的資金來建造更強大的、能標超過13萬億電子伏特的對撞機。如果LHC 沒有發(fā)現(xiàn)新物理學或者新粒子的跡象，那么這一負面結(jié)果將迫使物理學家做出一個極端困難的抉擇：要么發(fā)明出一種全新且低廉的技術(shù)來把粒子加速到更高的能量，要么在沒有可用來檢驗大量理論的數(shù)據(jù)的情況下苦思幾十年。因此，加速器物理學未來幾年的進展也許會對超弦理論做出裁決。