第四次科学革命

绚丽的“宇宙之弦”——弦理论的诞生与发展 20世纪60年代，当约翰·施瓦茨还在哈佛大学就读时，科学家们早已了解宇宙的四种基本力：引力、弱相互作用、电磁力以及强相互作用。但是，对于宇宙这四种基本力和它们之间的相互作用都没有完美的解释，无论是卡鲁札、克莱因还是爱因斯坦，都没能建立一个囊括一切所知的物理现象的理论，就是人们通常所说的大统一理论。 1968年，意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺（Gabriele Veneziano）独辟蹊径，构造了一个函数来描述强相互作用过程中的一些散射情况，这造就了现今的弦理论，为人们理解和接近大统一理论打开了一道大门。弦理论的野心很大，它试图解释基本粒子和四大基本力的联系以及量子力学和广义相对论之间的矛盾，成为爱因斯坦穷极一生都没有找到的“万物理论”。于是，它一经问世，便像救世主一般得到了全球大统一理论研究者的极大重视。这一理论真正对爱因斯坦的相对论进行了改良，并且能够更好地解释宇宙的本源。如果我们的宇宙是一个 具有多重维度的薄膜，在高维空间中运动，那么宇宙大爆炸就可能是我们的宇宙与另一个平行宇宙发生碰撞的结果。这种碰撞可能会反复发生，宇宙中的星系会沿着沙漏状的路径在平行时空中来回穿越。 具体来说，弦理论是一个现实的理论框架，其基本概念是：宇宙的基本组成部分并不是点状的粒子，而是一维空间的不断振动的细长物体，就像琴弦一样。在数量众多的基本粒子中，每一种基本粒子的性质都十分独特。对应地，在弦上可能反映出不同的振动频率。这样简单的理论是如何解释粒子之间的复杂的相互作用的呢？把量子力学应用在振动的弦上，就能够表现出全新的性质。这些弦和小提琴的琴弦并无实质的区别，振动在弦上以光速向前传播。不管是对量子物理理论还是对宇宙学来说，这些发现都能带来重要的启示。 约翰·施瓦茨（John Schwarz）是幸运的，他在弦理论诞生之初就投入了这一领域的研究。施瓦茨把弦理论引入夸克模型，认为夸克之间靠一条弦连接着。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，带色荷的夸克被限制与其他夸克在一起，使得总色荷为零，这一现象被称为“夸克禁闭”。利用弦理论来解释夸克为什么“禁闭”，施瓦茨说，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。在这一时代，弦理论还涉及了“高维空间”和“平行宇宙”等更多更复杂的理论，令全球的科学家非常向往。无数科学家想要在弦 理论的相关研究中做出成绩，在当时，人们认为只需要研究出合理的理论，甚至不需要完全证实，就很有可能拿到诺贝尔物理学奖，所以研究人员的热情极高。 虽然弦理论诞生了，但这一理论的发展并非像人们设想的那样顺利。因为在很长一段时间里，人们并未真正严肃而认真地对待这一激进而玄妙的理论。尔后兴起的量子色动力学（QCD）则逐渐成为学界的主流，大卫·格罗斯（David Gross）等人也因在该领域的建树而获得2004年诺贝尔物理学奖。这主要是由于当前弦理论研究还处于理论阶段，很少有研究能将这一理论与实验联系起来，相关研究设备也不完善，预计弦理论在未来一段时间内也难以被证实。所以，就现有条件研究弦理论，被一些科学家认为是操之过急。 在我们熟悉的美剧《生活大爆炸》中，男主角谢尔顿曾经一度放弃了弦理论的研究，但是*终又重启了。谢尔顿说：“费曼曾经说过，他干物理这一行，不是为了名声或者金钱，只有当我们不再对物理充满激情的时候，物理学才真正死了。”这种信念也真真实实地存在于现实中，施瓦茨就是那个对弦理论一直饱含热情、从未放弃的研究者。在20世纪70年代初，许多研究人员停止了对弦理论的研究，研究团队从几百人缩减为几人，很多学者转而研究其他一些领域。1969年，诺贝尔物理学奖得主、夸克模型奠基人默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）表示很同情那些弦理论研究人员，因此在美国加州理工学院设立了一个“濒危弦理论研究人员保护区”，从而使得像约翰·施瓦茨这样的科学家不至于失业。但在施瓦茨看来，弦理论仍是非常美好的理论，他执着于这个领域。 在20世纪80年代，施瓦茨在弦理论上的耕耘终于有了新的成果。他与英国伦敦大学玛丽皇后学院的教授迈克尔·格林（Michael Green）在1984年确定了超弦理论的唯一维度是九维，并存在三十二维的旋转对称性。这个重大发现引发了**次超弦理论革命。此后，超弦理论成为超级热门的研究课题。弦理论领域不断出现令人激动的新发现，由此有更多人参与到这个理论的研究中。 **次超弦理论革命后，超弦理论领域产生了五种不同的九维的超弦理论，虽然它们之间并不存在矛盾，但物理学家仍不满意。在追求大统一理论的道路上，存在五种理论的超弦理论不够完美。1995年，普林斯顿大学的爱德华·威滕（Edward Witten）教授掀起第二次超弦理论革命。他在加利福尼亚大学举办的超弦理论国际会议上指出，这五种超弦理论其实是一个理论的五种化身。统一五种超弦理论的是“M理论”。威滕没有为它具体命名，他表示：“M的意思可以根据个人喜好理解为Mystery（谜）、Master（统治者）或者Mother（母亲），都没有关系。”在“M理论”诞生之后，1996年哈佛大学的安德鲁·斯特鲁明格（Andrew Strominger）和卡姆朗·瓦法（Cumrun Vafa）发现通过“M理论”计算的黑洞熵符合霍金的预测，至此人们更相信“M理论”能解释宇宙的本源。几十年来，物理学家一直梦想着的可解释一切的“万物理论”似乎有了正确的方向。 在施瓦茨看来，弦理论是一个像冰山一样的理论，因为在海洋表面冰山一角的下面、在深不可测的海底，还有各种各样令人兴奋的内容等待人们去发现。大家都无法做出预测，需要去做更多的 研究来挖掘这些信息。所以，弦理论令人激动的地方在于，当人们越深入地研究这个理论，就越清楚它的价值所在。弦理论的一大价值，就是它包含了很多我们之前无法解答的问题的答案。