超越时空

    我在《超弦理论能成为万有理论吗？（上）》一文中（见2019年5月17日《科普时报》第3版），谈了弦理论的缘起，本篇继续往下谈。

    夸克模型中有一个物理现象，描述了夸克不会单独存在，而由于强相互作用力，带色荷的夸克被限制与其他夸克在一起（两个或三个组成一个粒子），使得总色荷为零，被称为“夸克禁闭”。

    后来，出现了一位物理学大师约翰·施瓦茨（John Schwarz，犹太裔美国理论物理学家，加州理工学院教授，最早从事弦理论研究的理论学家之一），将弦论模型正式引入到夸克模型。首先，对于夸克为什么“禁闭”，施瓦茨解释说，因为夸克之间是由弦连接的，这个力巨大到无法将它们分开。

    夸克禁闭非但在当时是未解之谜，迄今亦复如是，不过，那时施瓦茨至少能给出一个理由。于是，弦理论自然地走入了物理学家们的视野，渐渐地受到了欢迎。

    但出现了一个问题，根据施瓦茨的计算，处于基态的弦应该具有虚质量（注：基态，Ground state，是指在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动的这种定态，是最低能量态，除此之外都叫激发态），虚质量就是质量的平方得到的是负数。

    我们知道0质量的光子速度最快，也就是光速；而虚质量的粒子就是所谓的快子，它的速度比光速还快，只要速度不降至光速以下就行了。虽然这并不违背狭义相对论，但是谁也没有见过快子，因为太过抽象了。

    不仅如此，如果想要弦理论成立，在数学上它必须得26维。26维？！可信吗？太夸张了吧！

    到了1971年，一个称为超对称的理论诞生了，和质子与中子因为同位旋对称，所以性质相像一样；费米子与玻色子之间，应该也具有某种对称性，这就是所谓的超对称。

    而这个对称性导致的结果，就是每个粒子都应该有自己的超伴子，也就是说费米子应该有它的玻色伴子，玻色子也应该有它的费米伴子。这就相当于把基本粒子的数量翻了一番（不过，那些伴子和快子一样，物理学家做了许多试验，甚至一个都没有看见）。

    紧接着，随着量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD，描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论，是粒子物理标准模型的一个基本组成部分，多年来量子色动力学已经收集了庞大的实验证据）的诞生，这个诡异的弦理论和超对称理论就被物理学家们抛弃了。

    只有施瓦茨锲而不舍，他在1974年借鉴了超对称的思想，又尝试用弦理论来描述费米子。在这个数学模型中，会自动出现一个质量为0自旋为2的粒子。同样，这个粒子在人们发现的粒子家谱中，也找不到相应的位置。于是，施瓦茨便开始想办法，尝试如何在数学上避免这个新粒子的出现。

    到了1980年，施瓦茨和迈克尔·格林（Michael Green，英国物理学家，弦理论开创者之一）合作，终于将弦理论和超对称理论统一起来，提出了第一个版本的超弦理论。

    最关键的是，他俩发现用超弦理论来描述强力总是和实验不符，会出现无穷大的结果；不过，用超弦理论来描述引力就不会无穷大了。于是，人们终于明白：这个质量为0自旋为2的粒子，正是用来传递引力的引力子。

    当时，物理学家正发愁没有一个理论来统一引力，忽然冒出来一个从微观角度出发，貌似可以描述引力的理论，大家都很愉悦。并且，他俩在数学上将26维降到了10维，而通过10维中的弦的不同振动模式，就可以得到各种粒子了。也就是说，所有基本的粒子，如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子，实际上都只是极短极短的一维弦——宇宙弦（普朗克长度1.6×10-33厘米）的不同振动模式而已。

    需要提及的是，一位印度数学天才——拉马努金，给了超弦理论数学上的解释。（见附文）

    到了1984年，施瓦茨和格林又提出一种新的对称SO（32）理论，它可以消除所有的畸变和无穷大，让人们再次看到超弦理论的厉害之处。至此，超弦理论被物理学家们视为万有理论的最佳选择，更多的物理学家加入了超弦理论的热潮之中，爆发了第一次超弦革命。

    下篇再接着谈。（中）    

    （作者系加拿大某国际财团风险管理资深顾问，科幻作家）