撼动物理学界的“琴弦”_风闻

原创：牧夫天文

原文：

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

翻译：雷丰图

20世纪的物理学界早已分为：以牛顿经典力学和爱因斯坦相对论为首的宏观物理学，以及量子物理学。科学家们还总结出了四种基本基本作用力：引力，电磁力，强核力以及弱核力。其中，万有引力和电磁力早已有了公认的框架，弱核力也和电磁力完成了电弱统一。但是对于强核力的描述直到六十年代都一直是百家争鸣，各个理论层出不穷，最后获得青睐的是量子色动力学（QCD）。其它一些理论就相应地被遗忘了，其中就包括了弦理论。

已知标准框架内的粒子

Credit: digitalpaper.stdaily.com

1968年夏天，欧洲核子研究中心的理论部门迎来了一位造访者——加布里埃尔·韦内齐亚诺(Gabriele

Veneziano)。同年，韦内齐亚诺发表了一篇名为“在线性上升状态下交叉对称雷吉振幅轨迹的结构”的论文。文章中韦内齐亚诺发现欧拉积分中的贝塔函数可以处理一种具有四个粒子的散射模型（后被命名为韦内齐亚诺模型），结果推开了弦理论的大门。

韦内齐亚诺在2018年接受CERN采访时回忆道：“物理界对这篇文章的反应结结实实地震惊到了我。论文提交之后，我直接就去度假了。结果在同年八月末的维也纳会议上，这篇文章已经家喻户晓，并且成为了很多分会的讨论议题。”

这篇论文瞬间吸引了所有人的眼球，因为韦内齐亚诺提供的模型一次性地解决了好几个谜题。论文主要在论述量子引力，与所谓的弦几乎没有交集。直到1973年，南部阳一郎等理论物理学家才意识到在韦内齐亚诺的方程中，粒子可以被看成是某种特定的空间延伸量，也就是一根弦。

加布里埃尔·韦内齐亚诺

Credit：WikiPedia

“在那时候，原模型清晰地指出强子就是量子化的弦。其中还有一些已被证实是错误的细节：强相互作用最明显的特征就是它们极其短的作用距离，但是无质量状态却会产生长距离的相互作用。原模型在三维世界里的不稳定性也是一块硬伤，但是人们依然对这个理论抱有希望。”韦内齐亚诺如是说道。不仅如此，当时成立的弦理论在数学上必须是26维的，这使弦论的可信度又降低了一层。

在接下来的十年里，大部分人都对弦理论敬而远之，而标准粒子模型的问世使科学家们在这一领域忙于预测与验证。五十年来，弦理论一直是一个鲜有涉足的领域。韦内齐亚诺打趣道：“可能这些年轻人是被弦理论背后的数学美吸引过来的。”

不过弦理论真的比其它模型更能描绘现实吗？人们总是说弦理论没有预言任何东西，但这种说法是错误的。弦理论预测了整个宇宙是多维的，而迄今为止这只能从弦理论中推导得到。并且它很好演绎了量子相对论最深层次的问题；在基态下(量子相对论中的最低能量态，除此之外都叫做激发态)许多无质量的粒子都会违反等效原理（所有物体的加速度是一个常量，无论大小，质量或材料。已被物理界无数次地检验）。如果我们相信这个弦理论关于基态的预测，它就已然被否认了。但弦理论又成功预言了基态下自由夸克的存在，量子色动力学也证明了这点。

弦理论首次问世时的杂志封面

这种不真不假的状态持续到了1980年，两位物理学家施瓦茨和格林尝试将弦论与超对称理论（费米子一定有对应的玻色伴子，玻色子一定有对应的费米伴子）结合，进而提出超弦理论。他们发现，在使用超弦理论解释强力时，结果会相等。但是在解释万有引力时，会出现一个质量为零，自旋为二的粒子，也就是引力子。这是第一个能从微观角度描述引力的理论。从此之后，越来越多的科学家加入了超弦理论的热潮，并在两次超弦革命后将弦论产物推向“最接近万有理论”的王座。

韦内齐亚诺总结：“人们怀疑弦理论的主要原因就是：它需要无法想象的巨大能量来证明自己，但长距离的实验可以扭曲新的弦理论模型。如果想要在短距离内测试弦理论，最好的方法就是从宇宙学入手。在大爆炸时，弦理论很可能就在早期的宇宙里留下足迹，随后在膨胀中渐渐地变得宏观。”

更多弦理论知识：https://www.youtube.com/watch?v=hm4X-P6p-hs

韦内齐亚诺在CERN接受采访的全部内容

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

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Credit: Forbs

弦理论的核心——物质的基本单位并非零维的粒子，而是一维的“弦”。