一个偶然的机会,“未来物理学”闯入了20世纪,把人类搞懵了


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一个偶然的机会,“未来物理学”闯入了20世纪,把人类搞懵了



超弦理论的威力巨大 , 但它是被十分偶然地发现的 。 许多物理学家认为 , 如果这个偶然事件从不出现 , 那么弦理论要到21世纪才能被发现 。 这是因为 , 这个理论明显偏离20世纪世纪尝试的所有思想 。 它不是20世纪流行的思潮和理论的继续拓展 , 而是离它们较远 。
相比之下 , 广义相对论则有一个正常的的逻辑演变 。 首先 , 爱因斯坦提出等效原理 。 接着 , 他用引力场理论的数学语言重新表述了这一物理原理 , 引力场理论以法拉第场和黎曼度规张量为基础 。 后来 , 出现了“经典解” , 如黑洞和大爆炸 。 最后是企图建立量子引力理论 。 于是 , 广义相对论经历了一个逻辑演变 , 从物理原理到量子理论∶
  • 几何→场理论→经典理论→量子理论
相反 , 超弦理论自从1968年偶然发现以来 , 却逆着上述方向演变 。 这就是超弦理论在大多数物理学家看起来如此奇异和陌生的原因 。 我们仍然在寻找它的根本物理原理 , 即爱因斯坦等效原理的对应物 。
超弦理论十分偶然地诞生于1968年 , 当时两个年轻理论物理学家韦内齐亚诺和铃木真彦寻找描述强相互作用粒子相互作用的数学函数 。 他们独立偶然发现了欧拉β函数 。 他们惊讶地发现欧拉β函数几乎满足描述基本粒了强相互作用所需的所有性质 。

  • 欧拉β函数由此积分定义
这个β函数被冠以韦内齐亚诺模型之名 , 它引发了好几千篇研究论文 , 酿成了一大物理学学派 , 现在宣称要统一所有物理学定律 。
1970年 , 围绕韦内齐亚诺-铃木模型的谜得到了部分解释 。 其时 , 芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu)和日本大学的后藤铁男(Tetsuo Goto)发现一条振动弦隐藏在它的奇妙性质背后 。
因为弦理论被“反向”和偶然发现 , 物理学家仍然不知道构成弦理论基础的物理原理 。 弦理论演变的最后一步(以及广义相对论演变的第一步)依然缺失 。
圈图韦内齐亚诺和铃木发现的公式仍然是不完备的 。 他们希望这个公式能描述相互作用的亚原子粒子的性质 , 但它违背了物理学的性质之一∶幺正性 , 或称概率守恒 。 于是 , 韦内齐亚诺-铃木公式对粒子相互作用给出了一个不正确的解答 。 因此 , 该理论演变的下一步 , 是添加一些小的量子修正项 , 这些修正项将恢复这个性质 。 1969年 , 甚至在南部阳一郎和后藤铁男的弦诠释之前 , 威斯康星大学的物理学提出了正确的解答∶为了恢复幺正性 , 给韦内齐亚诺-铃木公式添加一些渐次变小的项 。
虽然 , 这些物理学家不得不推测如何从头开始构造该级数 , 但是今天 , 在南部阳一郎弦绘景的框架中 , 它最容易被理解 。 例如 , 当一只熊蜂飞在空中时 , 它的飞行路径能被描述为一条扭动的线 。 当漂浮在空中的一段弦在空间中运动时 , 它的路径可被比作为一个假想的二维面 。 当一条闭弦在空中漂浮时 , 它的路径与一个管子类似 。
弦通过分解成更小的弦和与其他弦会合来相互作用 。 这些相互作用的弦运动时 , 它们画出如下图所示的图形 ,

  • 在弦理论中 , 引力由交换闭弦来表示 , 闭弦在时空中扫出一根根管子 。 却使我们添加无穷多带有许多洞的图 , 弦理论中也从不出现无穷大 , 它给了我们一种有限的量子引力理论 。
注意 , 两个管子从左边进入 , 其中一个管子在中间分裂 , 互换中部的管子 , 接着在右边转向 。 这就是管子之间相互作用的方式 。 当然 , 此图是极其复杂的数学表达的简写形式 。 当我们计算对应于这些图的数值表达时 , 我们返回到欧拉β函数 。
在这个弦绘景中 , 由吉川-崎田-维拉索罗(简称KSV)提出的基本技巧相当于添加所有可能的图 , 在这些图中 , 弦能互撞和分裂 。 当然 , 有无穷多这样的图 。 添加无穷多“圈图”的过程 , 就是微扰论 。 每添加一个图 , 就愈接近于最终解答 。

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