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第237篇 “弦论”初探之引言 弦论是上世纪六十年代发展起来的、基本粒子研究的新理论，也是理论物理研究的前沿理论之一，在高峰期间各国曾有数千研究者介入，旅美中国科学家李政道博士、杨振宁博士也都曾十分看好。 弦论自上世纪六十年代创立之来，曾有过两次大发展，之后就停滞不前了，进入二十一世纪，弦论仍处于低谷之中。不忘一提的是，在九十年代的中国，关于弦论的比较早的研究者中，学者王德奎和李淼教授曾各有创见，作为一家之言，应当被肯定。 上世纪末，面对跌入低谷的、无结果的弦论，一位有远见的外国物理学家，聪明地以不了而了之。他说：“弦论”是21世纪的问题，但偶然误入了20世纪。 “道”物理学认为，此言甚真。因为整个来说，现代物理学的哲学贫困问题，在20世纪不可能获得解决，时机尚不成熟，条件还不具备，弦论没有结果也是理所当然。 中国物理学家李淼教授可能有同样的认识，他于新世纪之初，著长达十万言计的《弦论通俗演义》在网上进行弦论的宣传和普及，用心可谓良苦，大约是想为21世纪来者的迈步从头越，作些铺垫吧。 现在，“道”物理学打算开始涉及这一领域，将从道家哲学的新视角发表一些新的、初步的看法，为弦论注入一点儿新思维，以供有兴趣的研究者参考。当然，一如既往，欢迎参加讨论，欢迎批评指正。 第238篇 “弦论”发展简史 “道”物理学在发表看法之前，需要对弦论的产生和发展作简要介绍，使读者不必花太多的时间而能够大致了解它。以下文字，参考李淼教授的《弦论通俗演义》和冷月痴情的《弦论》词条，浓缩改写而成。 一、什么是弦论 所谓弦论，简言之就是认为：基本粒子不是早期粒子理论所说的那种零维的“点”状粒子，而应是弦粒子。点是零维的，直线是一维的，闭合的直线——弦——是两维的，它转动起来就是三维的了。 在弦论里，弦粒子是指由闭合曲线（即闭合圈，又称闭弦）形成的基本粒子，闭弦的不同波动和运动就可能产生出各种性质不同、形式不同的基本粒子。闭合圈，中国译为“弦”，所以在中国叫做“弦论”。 弦论的波动特征可以避开早期粒子物理中的无穷大困难，无需使用重整化（或曰重正化）理论,不仅有可能使人们对基本粒子的认识简化、规律化，还为基本粒子理论与四种基本力理论的大统一提供了某种期望和可能。在上世纪的理论物理学界，曾有过众人为“弦论”而欢呼雀跃的感人局面。 二、弦论的起源 弦论发端于上世纪于六十年代的粒子物理，当时，强相互作用的一连串实验表明，存在无穷多个强子，质量越来越大，自旋越来越高。这些粒子绝大多数是不稳定粒子，所以叫做共振态。当数量极多而理论上可认为无穷多的粒子参与相互作用时，粒子与粒子散射振幅将满足一种奇怪的性质，叫做对偶性。 1968年，有一位在美国努力奋斗的意大利学者威尼采亚诺，他原本是希望能够得到描述原子核内强作用力的数学公式，但无意中却发现了数学中的尤拉公式（Euler's Function）能够满足对偶性，可借用它成功代劳，于是十分兴奋。对尤拉公式的新理解，使得该公式后来又称为威尼采亚诺公式。 不久，敏锐的李奥纳特·苏士侃，将这公式的描述理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”，而且可以自然地解释为弦与弦的散射振幅。此时，眼前已出现了一大片从未有过的开阔地。 以上就是威尼采亚诺和李奥纳特·苏士侃两人激起的最初的涟漪。再稍稍前进一小步，若考虑线段的闭合，则生成弦体、或曰圈体。于是，就开发出“弦理论”了。从此，它成为基本粒子研究的新理论方向，也是理论物理热门的前沿理论之一。 三、第一次发展 但是，后来的研究和发展表明，用弦论描述强相互作用，实际上并不是太合适。强相互作用的最好的、最有效的理论仍然是场论，弦论有了第一次没落。 十多年后的1982年，美国人史瓦兹和他的合作者法国人舍尔克改变研究方向，将弦论与引力理论靠拢，弦论变成量子论，发展出量子引力理论。日本的米谷明民由此看到了弦论有统一所有相互作用的可能。这就是所谓弦论的第一次发展。 一些弦论专家当时颇为激进，甚至认为统一的终极的理论就在眼前。其后，因困难重重无功而止，弦论第二次没落。 四、第二次发展 英国人奥立弗和芬兰人曼通宁 在1977 年就猜测在一种特别的场论中可能存在电和磁的对偶对称性。又过了十多年，1994 年印度人森将奥立弗和曼通宁的思想大胆地推广到弦论之中，开劈了另一研究方向。 另外一个对对偶性做出很大贡献的人是美国人塞伯格，他在1989-1992 之间研究两维弦论时，见机较早。塞伯格在1993-1994之间的突破是，他有效地利用超对称来限制场论中的量子行为，在许多情形下获得了严格结果。 美国人威顿是对弦论对偶对称性作出重大贡献的另一人，他沿塞伯格的思路，系统地研究了弦论中的各种对偶性，澄清过去的一些错误的猜测，也提出一些新的猜测，从而形成塞伯格-威顿弦论。 所谓塞伯格-威顿弦论，是将超对称和对偶性结合起来，该理论得到了自有四维量子场论以来的最为动人的结果。 95 年施特劳明格将塞伯格-威顿的弦论发展为膜论，认为基本粒子也可能是三维膜。英国人胡耳和汤生也曾用各种不同维数的膜来研究对偶性。这样，弦论中所包含的自由度远远不止弦本身，而是维数在逐渐增多。 在九十年代中期，曾出现各种各样的弦论，最后由威顿发展出最大胆的具有11 度空间的M理论，将它们囊括。证明当时许多不同版本的超弦理论其实是M理论的不同极限设定条件下的结果。 物理学家们沉浸在数学的、极其繁复的、然而又色彩缤纷的、虚幻的美妙之中。所谓弦论的第二次发展大约是到此为止了。 五、中国人的弦论 在九十年代的弦论研究中，中国学者并非没有作为，而是大体跟上了国外的研究步伐。例如，李淼和王德奎就是中国学者群的代表，他们也都各有创见。值得一提的是其中的王德奎，他提出了线旋、面旋、体旋的三弦理论，是颇有新意的。 关于三弦理论，该理论大约是以物理模型为主的，其数学模型颇显不足，这使得该模型归于粗糙。这可能是该理论不容易进入国际物理学界而获得承认的原因之一。 国际物理学界，从来极为重视数学模型。有没有数学模型，数学模型是否严谨,数学结果能否被实验证明，以及数学结果是否准确，等等，从来都是新理论的、关键的试金石。 建立数学模型是外国物理学家的强项，弦论研究中的众多数学模型均为他们所创建，中国学者是有差距的。所以，21世纪的、中国新兴的、年青的物理学家们，一定要特别在数学模型这个难点上，狠下功夫。 六、弦论的没落 以上就是发生在上世纪八十年代初期和九十年代中期的弦论的两次发展之大概，国外有不少学者甚至美誉之为弦论的两次革命。可惜，深入而冷静的研究表明，弦论没有使问题愈来愈少，而是使之愈来愈多，到九十年代后期，弦论第三次没落。进入二十一世纪以来，弦论仍停滞不前。 关于弦论的三起三落，追究其原因，众所周知的、根本的、也是致命的有二： 第一，由弦论发展出来的粒子理论，在刚开始时，有简化基本粒子理论的前景，但后来似乎却愈走愈远了，成为愈来愈复杂的多维时空理论，维数甚至多达11维，基本粒子真可谓超、……、超现实！ 第二个致命原因是，没有确凿的实验事实能够证明弦论是正确的。 这样一来，弦论又被视为，由极繁复之数学演绎出来的莫须有，存在伪科学之嫌，不少物理学家弃之而去也，真正是陷入低潮了。 也许会问，当年如果不是威尼采亚诺和李奥纳特·苏士侃把一块石头扔到湖里就跑了，大家又何以会空忙几十年？ 总之，四十来岁的弦论虽然是理论物理的前沿之一，但至今仍然只是假说而已。 (责任编辑：admin) |