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石板

九亿娱乐登陆:弦理论是如何诞生的?物理学家对每一个进步都进行疯狂的实验

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我还是忘不了弦理论引起的警报。我是加州大学伯克利分校的物理学研究生。记得瞥见物理学家摇头声称物理不应该这样。在过去,物理学的基础通常是对自然现象进行极其繁琐的检查,形成一些局部假设,根据数据仔细检验得到的想法,然后一遍又一遍地重复这个过程。而弦理论则是一种“灵机一动”的方法,只靠推测奥秘。这么轻这么快,在一个令人恐惧的领域怎么会这样?

它有着如此奇怪的历史,因为弦理论是向后进化的。通常,在相对论这样的理论中,人们从基本的物理原理开始,然后将其打磨成一组基本的经典方程,最后,人们计算这些方程对应的量子涨落。弦理论是从量子论偶然被发现开始向后展开的;到目前为止,物理学家们对什么样的物理原理可以指导这个理论感到困惑。

有一种理论显然“疯狂”到足以成为统一的场论,那就是弦论或M论。在物理学编年史上,弦理论的历史大概是最荒谬的。它的发现相当偶然地应用到了它没有解决的问题上,所以被抛弃了,默默无闻。但它突然作为一种万物理论出现了。而最后,只要对它做一些小的调整,这个理论就会被摧毁,所以它要么成为“万物理论”,要么成为“万能理论”

基本粒子物理的目的之一是预测强相互作用的S矩阵的数学结构。这个目标极其困难,有些物理学家甚至认为它超出了任何已知物理的尺度。而Veneziano和铃木正彦刚刚看了一本数学书,猜到了S矩阵引起的警报。

虽然几百篇论文只对它的参数做了一些琐碎的修改,却破坏了它原本的美好,至今没有一篇经得起折腾。为数不多的还能被记住的论文,是那些想要理解这个理论为什么实际有效的论文,也就是那些试图展示其对称性的论文。物理学家终于认识到,这个理论基础中没有可调参数。

由于即使用我们最强大的仪器也看不到亚原子粒子,物理学家已经接受了一种粗略但有效的方法来分析它们,并用巨大的能量将其分解。建造巨大的“原子破碎机”或粒子加速器已经损失了数十亿美元,每个加速器都有几英里长的亚原子粒子束可以迎面碰撞。然后,物理学家对碰撞后的碎片进行彻底的分析。这个痛苦过程的目的是建立一系列的数据,称为“散射矩阵”或“S矩阵”。这个数据收集过程起着关键作用,因为它可以编译所有的亚原子物理信息,也就是说,一旦S矩阵已知,就可以推导出基本粒子的所有特征。

换句话说,这个理论纯粹是偶然发现的。普林斯顿大学高级研究院爱德华?爱德华威滕(许多人认为他创造性地推动了这一理论的许多惊人突破)说:“可以合理地说,20世纪的物理学家不应该有研究这一理论的荣誉。说弦理论还不能被发现是有道理的……”

这个模型和我们目前看到的任何工具完全不同。一般当有人提出一个新的理论(比如夸克)时,物理学家会试图对这个理论做一些修正,改变一些简单的参数(比如粒子的质量或者耦合强度)。但是,Veneziano模型的风格是如此微妙,以至于它的基本对称性即使有一点点变化也会使整个公式失效。就像精致的水晶工艺品,任何改变其形状的努力都会打破它。

弦理论的起源可以追溯到两个年轻的物理学家加布里埃尔维尼奇亚诺(Gabriele Veneziano)和马希科铃木(Mahiko Suzuki)独自阅读一本数学书时,在日内瓦的欧洲粒子物理研究所(CERN)核实验室意外发现了欧拉的函数。这是莱昂哈德写的。莱昂哈德欧拉在18世纪提出的一个很难的数学表达式给人一种奇怪的感觉,好像是在形态学的亚原子世界里。他们惊讶地发现,这个抽象的数学公式似乎是两个介子在巨大能量下碰撞的情况。这个“维尼齐亚诺模型”很快在物理学领域引起了不小的轰动,上百篇论文出现在上面,试图为各种核力的出现进行总结和综合。