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发信人: 2sinxcosx(2sinxcosx) 整理人: 2sinxcosx(2003-02-17 01:28:58), 站内信件 |
| 弦上的宇宙（University on a String）
原著Edward Witten 翻译，绘图：[email protected] 摘自美国天文学杂志Astronomy 2002年5月号 注意：此文并未经授权，因此禁止用于商业用途。本人拥有翻译稿的版权.仅供网友参考。转载请通知译者，并写明原出处以及译者。另,此文正在申请授权,授权后会在本版通知. 引 天文学家把宇宙的历史有条不紊的打了个包，至少现在看来是这样的。在大约120亿到140亿年前，我们的宇宙变为存在的实体——沿着时间与空间自身。百万分之一秒后，膨胀开始了，并在一个短暂的的时间内以可怕的速度扩大。又过了十亿年，星系在某种暗藏的因素的帮助下形成聚拢。现在，一种被看作暗能的的神秘力量似乎促使着整个宇宙膨胀的继续。 但是这幅构想仅仅揭开了它的表面。科学家们瞄准到更深层次的地方，希望了解为什么事物以现在这种方式运行？什么是大爆炸，时间为何又在那时开始？什么导致了宇宙膨胀？准确的说，这种暗藏的因素，暗能到底是什么？ （这个巨大的暗藏因素萦绕笼罩着每一个天文学家能够遥望到的星系，天文学家们忍受的最大谜团的答案也许就在某的小小的角落中） 许多科学家相信这个问题的答案与许多未解之谜相关。一个有三十年研究历史，被称作弦理论的物理框架也许能够提供新的理解，和对至少已经浮现在地平线上的迷题作出答案的希望。 爱因斯坦和时空 事情发生在二十世纪的早期，当阿尔伯特-爱因斯坦（Albert Einstein）突然把我们对时间和空间的观念完全改变的时候。他的理论起了很大的作用，几乎每一样基础的物理概念都在爱因斯坦的日子改变了，但我们依然用他引入的概念来描述时空。虽然很多科学家怀疑这是否应该改变，现在对这个时空了解的研究也需要在我们攻克上面的大谜团之前得到解决。 事实上，爱因斯坦两次扭转了我们对时间和空间的概念。第一次大转变发生在1905年，狭义相对论(Special Relativity) 揭示了在物体在接近光速运动时会发生的奇怪现象。他解释了一个载在宇宙飞船上的时钟会如何变慢，一个宇航员的心跳会如何停止——如同一个旁观者的论述。在爱因斯坦的理论中，时间与空间与我们在日常经验中理解的完全不同，并且两者被统一起来成为一个新概念，称作“时空”。 十年后，科学家还没有完全从第一个冲击中回过神来，第二次革命又降临了。1915年，爱因斯坦完成了他的最伟大惊人的著作，广义相对论（General Relativity），即重力理论。根据广义相对论，时空被扭曲，扭曲由某种因素而产生。当行星沿椭圆轨道围绕太阳运行时，简单的说，它们只是在被太阳扭曲的空间中的寻找运动的最短路径。 
图1、根据爱因斯坦的理论，当重力由如同太阳的较大质量的物体产生时，时空便被扭曲，导致附近较小质量的物体，如同地球，围绕着它旋转。 用著名的能量-质量公式E=mcc，狭义相对论预言了速度的极限——没有东西可以比光跑的更快。从另一个角度来讲，广义相对论就预言了引力波，黑洞，光被恒星弯曲，以及宇宙的膨胀。 爱因斯坦之后的探索者们一次又一次的转变了我们对每一件物理事物的理解。科学家们发现了更多的新现象和控制这些现象的规律。但是所用存在的粒子和所有发生的现象都能用爱因斯坦的理论来解释。 在二十世纪二十年代，我们发现亚于原子（如电子，中子，夸克）的粒子不再遵循牛顿运动定理，而是在奇怪却奇妙的量子力学的控制之下，粒子以波的形式运动，海信勃格的不确定定理让每一件事物都模糊得难以用语言表达。在二十世纪七十年代中期，人们用量子理论精心推出了基本粒子的理论，即粒子的标准物理模型。在此领域这个成果的每一分寸都如同爱因斯坦理论那么成功。 七十年代末，物理学中一个清晰的分支在我们对物理的理解中产生。广义相对论对太阳系，星系以及更大的宇宙尺度中的现象作出描述，而量子力学，如同它作出标准粒子模型那样，解释分子，原子以及亚原子粒子的现象。 但物理学家怎么也不会满足于两个不同领域的不同理论。最简单的理由便是大物体是由大量小微粒组成的。同样的力同时作用于原子和恒星，例如，当恒星之间有明显的的引力作用时，原子间发生着电磁作用。因此一定有可能将标准粒子模型和广义相对论合并为一个能同时描述恒星和原子的更大更完整的理论。 另外，对两种理论统一的寻找付出了巨大的代价。简单的说，标准粒子模型和广义相对论都被发现，就需要从更大的视野中寻找更高层次的理论。不幸的是，用量子力学直接表达广义相对论的尝试陷入了一个自相矛盾的泥潭，基本上是因为爱因斯坦描述时空扭曲所用的非线性数学方程与量子力学精密的要求相互抵触。 用弦理论当救兵？ 当科学家们遇到如此的难题时，偶尔会有人躲进高阁，销声匿迹就是七年，最后带着问题的答案浮出水面。无论如何，安德鲁-威尔士（Andrew Wiles）就是这样证明费马的最后定理的。但在量子引力的领域中，还没有哪个“高阁中的科学家”取得了如此丰厚的成果。相反的，经过一段胡乱修修补补的过程，一个本来有完全不同研究目标的的物理学家一不小心就撞上了这条大有希望的捷径。 弦理论大约是在七十年代早期产生的。根据弦理论，一个基本粒子并非一个点而是一根震动的弦圈。就如同小提琴或者钢琴的弦一般，这些“基本弦”有许多不同的音律，或者说震动的形式。在一根小提琴弦中，包含一个基本音——如中音C——以及比它更高的音（1，2或者数个八度高）。音乐的丰富多彩来自于不同音的交响。若用一只音叉来演奏音乐，只有一个基本的音，对人耳朵来说无疑是很难受的。 
图2、根据弦理论，一个电子或夸克这样的微粒被理解为一根震动的弦。 在弦理论中，琴弦不同的音律对应着不同的基本粒子。一旦弦理论的正确性被证明，所有的基本粒子——电子，质子，中子，夸克，其余所有的——都将被作为不同形式的震动弦来看待。不同的粒子将被统一，因为它们都是同样的基本弦的不同表现形式。 这将如何帮助我们解决重力问题呢？在七十年代早期，计算显示震动弦的一种形式刚好具备重力的性质，重力的一个基本量子单位。和许多弦理论的重要发现一样，这个结果只是出自精密的计算，却不能为我们的所理解而构架出一幅具体景象。 从一粒小小的橡子长成一棵高大的橡树，根据物理学家们数年的讨论，一个包含引力子的量子理论必须引入爱因斯坦理论的完整结构——至少在广义相对论所成功解释的天体尺度环境中。（而在原子尺度，这样的理论必须和爱因斯坦理论分离，因为后者无法很好地解释量子问题）。 让我们回到70年代早期，弦理论的先锋之一，意大利物理学家丹尼尔-阿马提（Daniele Amati)，将弦理论称作“机会下偶然落入二十世纪的二十一世纪物理学”。他指的是弦理论是在一个幸运的机会下由一个修补填充的过程发现的，而没有物理学家认真钻研去寻找它。阿马提推测这个具有极高价值的的理论需要等到二十一世纪才能为人所真正理解。 30年后，虽然我们已经更好地了解了很多东西，但仍然有更多的东西我们根本不理解——包括弦理论的理论基础。从某种意义上讲，随着二十一世纪的开始，我们却很可能落在阿马提的计划之后！ 时空的模糊 也许我们从弦理论上所了解的最基本的东西就是它修改了爱因斯坦的时空概念。这却没有让人们多么吃惊：爱因斯坦将他的重力理论建筑在他对时空的概念上，因此任何修改爱因斯坦重力理论使之与量子力学所融合的新理论都将引入一个新的时空概念。 事实上弦理论给出了一个对我们所日常理解的事件和空间相对“模糊”的概念，这就如同海信勃格的不确定定理模糊了经典粒子运动论那样。最初的量子力学理论认为，基本粒子的相互影响发生在一个绝对的点上；而在弦理论中，事情就大不相同了：弦之间能像粒子那样相互影响，但是我们却不能准确说出这个影响到底发生在什么地方。 
图3、当一个单个的基本粒子一分为二（左），它发生在时空的一个绝对点上。但当一根弦圈一分为二时（右），不同的观察者之间会有歧义。一个从点虚线看的相对观察者会认为分裂发生在Q点，而长线段虚线的观察者则相信分裂发生在点P。 既是对于一个理论物理学家来说，这种解释带来的问题比它能所解答的还多。弦理论带来了物理学上的一大飞跃，这个飞跃甚至比起以前所有的物理革命来都算是非常大的。很难说人们是否能成功跨过这一物理学的大裂谷。 但我们却很清楚弦理论对我们的时空观会带来怎样的变化。弦理论中有一个关键部分称作超对称（Supersymmetry）。若找到超对称的存在将会证明笔者所解释的一大堆东西不再是夸夸其谈，而是自然界中真正的东西。 在日常生活中，我们用数字来衡量时间和空间。例如，我们说，“三点钟了”，“我们处在海拔200英尺”，或“我们生活在北纬40度”。用数字来衡量时间和空间是爱因斯坦理论所保留的。事实上，在他的年代里量是用数字表示是物理学家所知道的全部。 但量子力学改变了这一情况。微利被分类为玻子（Boson）（如光波）和费米子（Fermion）（如电子和中子）。空间，时间和电场这样能用数字表示的被称作“bosonic”。量子力学同样引入了一种叫做“费米（Fermionic）”变量的不能用常规数字所衡量的新量。费米变量是无穷小且固有的量子力，因此很难为人捉摸。 根据超对称的概念，除众所周知的常规维——即长宽高三维加时间——外，时空还有一个附加的无穷小维，或称作费米维。如果超对称在自然界中被发现，我们就能引入量子力学观点来描述时空。但我们又如何知道超对称到底是否存在？ 探索超对称 在一个超对称的世界里，一个在空间中运动的粒子同样能够在新的费米维中震动。对每一个基本粒子而言，这种新型震动给了它们一个堂弟或者叫“超搭档（Superpartner）”，即拥有相同的电量但在其他方面例如自旋等有所差别。超对称论对超搭档的性质作出了详细的预言。 要证实超对称，科学家寄望于制造和研究一种新的超对称粒子。方法便是建造一台有足够大能量的粒子加速器。 现在最高能的粒子加速器是坐落在芝加哥附近费米实验室的特维特朗（Tevatron）。在那里质子和反质子以2,000倍于一个单个质子的余能量碰撞（余能量由E=mcc推算）（关于余能量的翻译可能有问题，原文为rest energy，也许所指为“静止能量”）。几年前，这个能量给了我们了制造所知最重基本粒子顶级夸克的可能性。经过数年的关闭之后，特维特朗重新开始了一系列更激烈的离子碰撞。 大约在2006年，当欧洲粒子物理学实验室，或称CERN（在瑞士日内瓦附近）启动大强子碰撞器（LHC）时，可用的能量将能够产生。LHC将达到15,000倍的质子余能量。LHC是一项几十亿美元的国际项目，主要由欧洲国家投资，美国和日本也投入了大量的赞助。 如果我们的预言是正确的，将会有一个让超对称存在于LHC甚至也许特维特朗中的极好机会。许多物理学家怀疑LHC是否能在一个极大的速度上制造超对称粒子，不过这事一旦发生，基本粒子物理学将会进入一个全新的纪元，那将会是对时空中量子结构所产生现象的直接试验性的研究。下一步也许将是对超对称粒子细节的研究，以及提取出能帮助我们理解弦理论的关键线索甚至藏于超对称下的更深层次理论。 特维特朗和LHC都加速质子，特维特朗甚至还加速反质子。质子加速器提供了一个到达高能量的最实际的一条路，因为加速质子比加速其他粒子的成本要低得多。 不幸的是，它们都有一个缺点。最典型的是质子加速器启动时都会制造出几打无用的粒子和有用的一起运动。用一台质子加速器来完全探索超对称世界是远远不够的。对于精确的测量，我们需要另一种机器，能加速电子和它的反粒子，正电子。 如今已有的最高能的电子加速器为CERN使用的一台，以及坐落在美国加利福尼亚州中部的斯坦佛直线加速器中心。这些机器带有最精确和完整的标准粒子模型。在最近的十年中，美国，日本和德国都付出了大量的研究，以求得开发更高能的电子加速器，即能够达到探索超对称粒子所需能量的直线碰撞器（Linear Collider）。 像LHC和直线碰撞器这样的数十亿的工程只能靠国际间的精密合作建成，也许将会受到参与国的公共事业对科学的好奇所鼓励。 天文联系 那么我们开始提到的天文迷题有怎样呢？没有一个现在有明确的解答，但物理学家又开始怀疑这牵扯到了对超对称，弦理论以及时空的量子实质的探索。 首先，虽然有其他的可能性存在，许多物理学家依然认为星系间的暗藏因素就是被星系引力所束缚的一片超对称粒子云。计算显示这片云正好有对应如此现象的性质。当这被证明正确时，对暗藏因素的研究就在接下来的一个十年内。一些的特殊的地下探测器能够捕捉到这些稀有的穿过地球的暗藏因素的粒子。这些探测器都被深深地埋在地下，通常在矿井中，以屏蔽宇宙射线的干扰。（译者注：很像中微子探测器的样子） 对暗藏因素的探测将成为天文学史的一个里程碑，但却不是天文学的全部。这些地下探测器对暗藏因素的密度和相互影响的速度作出测量。要知道有多少某种形式的暗藏因素存在，科学家需要用在加速器中制造不同暗藏因素的粒子并研究它们的性质的方法分开测量不同的影响速度。因此，在超对称的研究中，LHC和直线碰撞器一起也许会成为理解暗藏因素的关键。 暗能的问题是一个更难攻克的难题。近年来天文学和物理学中最富戏剧性的发现之一就是宇宙的膨胀似乎正在加速。这就指向了关于真空能量密度的问题（或者也许是有另一种暗能参与的更复杂的情况）。关于真空的能量同时牵扯到量子力学，因为真空能来自于量子的波动，和引力理论，因为引力是自然界中唯一能够显示真空能的力。由于弦理论只有一个我们对量子引力理解的框架，因此真空能仍然是弦理论中一个未能解决的问题。 关于宇宙膨胀，科学家们相信这发生在早期宇宙一个温度远高于粒子加速器，并且能量相对接近量子引力占主要地位时的一个时期。但我们还没有宇宙膨胀是如何又是为什么发生的令人信服的具体的模型，因为我们现有的粒子物理模型远未能满足膨胀所需的巨大能量。了解膨胀的实质需要我们具有一个比现所知的更好的粒子物理学知识体系，甚至也许需要完整的弦理论和量子引力理论。 最后，究竟什么是大爆炸，时间为何又在那时开始？这个问题显然牵扯到了量子力学和广义相对论，因为这两者在邻近大爆炸时都是非常重要的。这就为弦理论学家带来了另一个问题，但我们却一点没有接近答案的迹象。一个貌似可信的猜想来源于弦理论和量子引力理论所透露给我们时空概念的模糊影像。在传统观念下，时间似乎是一个很明显清楚的概念，但当你越接近大爆炸，量子引力理论和弦理论的模糊概念就越具重要意义。似乎时间一接近它的开始，我们对它的概念就会失去意义——而这点，很可能，就是我们证明大爆炸到底是什么关键。 ---- 欢迎来“宇宙探索”论坛^-^---->探索宇宙 ～ 超越无限 ～ ！ |
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