撼動物理學界的“琴絃”_風聞

原創：牧夫天文

原文：

https://home.cern/news/news/physics/untangling-origin-string-theory

翻譯：雷豐圖

20世紀的物理學界早已分為：以牛頓經典力學和愛因斯坦相對論為首的宏觀物理學，以及量子物理學。科學家們還總結出了四種基本基本作用力：引力，電磁力，強核力以及弱核力。其中，萬有引力和電磁力早已有了公認的框架，弱核力也和電磁力完成了電弱統一。但是對於強核力的描述直到六十年代都一直是百家爭鳴，各個理論層出不窮，最後獲得青睞的是量子色動力學（QCD）。其它一些理論就相應地被遺忘了，其中就包括了弦理論。

已知標準框架內的粒子

Credit: digitalpaper.stdaily.com

1968年夏天，歐洲核子研究中心的理論部門迎來了一位造訪者——加布裏埃爾·韋內齊亞諾(Gabriele

Veneziano)。同年，韋內齊亞諾發表了一篇名為“在線性上升狀態下交叉對稱雷吉振幅軌跡的結構”的論文。文章中韋內齊亞諾發現歐拉積分中的貝塔函數可以處理一種具有四個粒子的散射模型（後被命名為韋內齊亞諾模型），結果推開了弦理論的大門。

韋內齊亞諾在2018年接受CERN採訪時回憶道：“物理界對這篇文章的反應結結實實地震驚到了我。論文提交之後，我直接就去度假了。結果在同年八月末的維也納會議上，這篇文章已經家喻户曉，並且成為了很多分會的討論議題。”

這篇論文瞬間吸引了所有人的眼球，因為韋內齊亞諾提供的模型一次性地解決了好幾個謎題。論文主要在論述量子引力，與所謂的弦幾乎沒有交集。直到1973年，南部陽一郎等理論物理學家才意識到在韋內齊亞諾的方程中，粒子可以被看成是某種特定的空間延伸量，也就是一根弦。

加布裏埃爾·韋內齊亞諾

Credit：WikiPedia

“在那時候，原模型清晰地指出強子就是量子化的弦。其中還有一些已被證實是錯誤的細節：強相互作用最明顯的特徵就是它們極其短的作用距離，但是無質量狀態卻會產生長距離的相互作用。原模型在三維世界裏的不穩定性也是一塊硬傷，但是人們依然對這個理論抱有希望。”韋內齊亞諾如是説道。不僅如此，當時成立的弦理論在數學上必須是26維的，這使弦論的可信度又降低了一層。

在接下來的十年裏，大部分人都對弦理論敬而遠之，而標準粒子模型的問世使科學家們在這一領域忙於預測與驗證。五十年來，弦理論一直是一個鮮有涉足的領域。韋內齊亞諾打趣道：“可能這些年輕人是被弦理論背後的數學美吸引過來的。”

不過弦理論真的比其它模型更能描繪現實嗎？人們總是説弦理論沒有預言任何東西，但這種説法是錯誤的。弦理論預測了整個宇宙是多維的，而迄今為止這隻能從弦理論中推導得到。並且它很好演繹了量子相對論最深層次的問題；在基態下(量子相對論中的最低能量態，除此之外都叫做激發態)許多無質量的粒子都會違反等效原理（所有物體的加速度是一個常量，無論大小，質量或材料。已被物理界無數次地檢驗）。如果我們相信這個弦理論關於基態的預測，它就已然被否認了。但弦理論又成功預言了基態下自由夸克的存在，量子色動力學也證明了這點。

弦理論首次問世時的雜誌封面

這種不真不假的狀態持續到了1980年，兩位物理學家施瓦茨和格林嘗試將弦論與超對稱理論（費米子一定有對應的玻色伴子，玻色子一定有對應的費米伴子）結合，進而提出超弦理論。他們發現，在使用超弦理論解釋強力時，結果會相等。但是在解釋萬有引力時，會出現一個質量為零，自旋為二的粒子，也就是引力子。這是第一個能從微觀角度描述引力的理論。從此之後，越來越多的科學家加入了超弦理論的熱潮，並在兩次超弦革命後將弦論產物推向“最接近萬有理論”的王座。

韋內齊亞諾總結：“人們懷疑弦理論的主要原因就是：它需要無法想象的巨大能量來證明自己，但長距離的實驗可以扭曲新的弦理論模型。如果想要在短距離內測試弦理論，最好的方法就是從宇宙學入手。在大爆炸時，弦理論很可能就在早期的宇宙裏留下足跡，隨後在膨脹中漸漸地變得宏觀。”

更多弦理論知識：https://www.youtube.com/watch?v=hm4X-P6p-hs

韋內齊亞諾在CERN接受採訪的全部內容

https://cerncourier.com/the-roots-and-fruits-of-string-theory/

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Credit: Forbs

弦理論的核心——物質的基本單位並非零維的粒子，而是一維的“弦”。