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超引力做的可不是这些。尽管它确实是一种新的统一构想,却只能靠令人心力交瘁的计算来表达和检验。我能做那些数学,但那不是我从爱因斯坦和其他大师的著作里学会的做科学的方法。
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我那时结识的另一个朋友是斯特尔(Kellog Stelle),他比我大几岁,也是德赛的学生。他们在一起研究超引力是否比广义相对论更容易与量子理论结合。由于背景独立方法还没有什么进展,他们也和别人一样用背景相关方法,虽然那方法在用于广义相对论时已经遭遇了惨重的失败。他们很快发现,它对超引力是很有成效的。他们检查了量子广义相对论首先出现无穷大的地方,看到了有限的结果。
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这是好消息:超对称真的扭转了局面!可高兴没能长久。德赛和斯特尔只用几个月的时间就向自己证明了,超引力里的无穷大是随处可见的。实际的计算太难,几个月也算不好。但他们找到了一个办法,可以检验最终结果是有限还是无限。原来,所有的结果——比他们能直接检验的那个有限结果精确得多——都是无穷的。
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然而事情还没完呢,因为还有其他形式的超引力等着检验。也许其中的某个能最终给出一个和谐的量子理论。每个形式都逐一经过了研究,都多少是有限的,因此还需要进一步延伸近似的序列,直到检验失败。虽然计算很难,但也没有理由认为有什么答案在经过了那个序列后就一定是有限的。一点渺茫的希望寄托在著名的N=8理论,它也许与众不同。那最终是在巴黎构建起来的。但它也失败了——尽管还有人对它抱有希望。
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超引力过去是、现在仍然是一个神奇的理论,但单凭它还不足以解决量子引力的问题。
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于是,直到20世纪80年代初,构建量子引力理论的工作还没有丝毫进步。人们所有的努力(包括超引力)都失败了。规范理论胜利了,而量子引力的领域却停滞不前。我们还在为量子引力担心的少数几个人,感觉就像高中都没念完的学生,被请去参加妹妹在哈佛的毕业典礼,眼睁睁看着她同时获得医学、神经学和古印度舞蹈史的学位。
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如果说超引力没能引出一个好的量子引力理论令我们沮丧,但也解放了我们。所有容易的事情都做过了。几十年来,我们通过推广费曼和他朋友的方法来构造理论。现在只有两件事情要做:放弃以固定背景几何为基础的方法,或者放弃认为在背景几何下运动的东西是点粒子的观点。两种方法后来都经过了探索,也都在通向量子引力的道路上——第一次——产生了巨大的成功。
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物理学的困惑 第二篇 弦论简史
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第七章 孕育革命
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当我们遭遇一个不能仅仅以理解它的方式来解决的问题时,科学前进的步伐就会停下来。那是因为我们遗失了一样根本的东西,一种不同的技巧。不论我们多么勤奋,总不能找到答案,直到有人突然发现了那失去的链条。
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人类第一次面对的这种事情大概是日食。经历过天空突然黑下来的一幕之后,天文学家们要做的第一件事情肯定是寻求一种方法来预言这种可怕的事件。人们在几千年前就开始了日食观测,同时还记录太阳、月亮和行星的运动。不久他们就明白J太阳和月亮的运动是周期性的,我们有证据证明人类在洞穴时代就知道那些事实了。不过日食要困难一些。
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早期的天文学家对几件事情是很清楚的。太阳和月亮在空间沿不同的路线运行,日食发生在它们相遇的时刻。它们的路线在两处相交。只有当日月在那两处之一相遇时,才可能发生日食。因此,为了预言日食,必须跟踪太阳在一年的路径和月亮在一月的路径。只要跟踪两条路径,关注两个天体什么时候相遇,就可以预言了。其意义在于,必然存在一种在29天半的时间间隔内不断重复的模式,那就是月亮的周期。
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但这个简单的思想是不对的:日食并不服从月亮周期所决定的模式。我们很容易理解前辈天文学家们的作为,他们想协调两大天体的运动,然而失败了。那对他们来说,也许和我们今天协调广义相对论与量子论是一样的疑惑。
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我们不知道是谁发现有元素丢失了,但不管是谁,我们都要感谢他。我们可以想象,一个天文学家,也许在巴比伦或古埃及,突然意识到原来需要考虑的周期运动不仅仅只有两个,而是三个。他也许是一个智者,经过几十年研究之后,就把数据都铭记在心了。他也许是一个年轻的叛逆,不囿于一定要用看得见的东西来解释看见的东西。不管情形怎样,他从数据中解开了神秘的第三个周期运动,它不是一年或一月发生一次,而是十八又三分之二年发生一次。结果发现,两个路径在天空的交点不是固定的:交点也在转动,需要十八年多的时间才转一圈。
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第三个运动的发现——那丢失的元素——肯定算是抽象思维的一个最古老的成功例子。我们看到两个物体,太阳和月亮,很早就知道它们每个都有周期。而要“看到”还有一样东西也在运动,就需要想象了:它们的路径也在转动。这是深远的一步,因为它需要我们认识到在观测的运动背后还存在另一种运动,而那只能演绎推理才能发现。那时以来,科学通过发现那种丢失的环节取得进步的例子,只有寥寥的几个。
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另一个这样的例子是人们发现基本粒子不是点粒子而是弦的振动。这对几个物理学大问题提供了合理的回答。如果它是对的,那么它与古人的圆周轨道本身也在运动的发现,是同等重要的认识。
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弦理论的出现被称为科学革命,但它已经酝酿很长时间了。和有些政治革命一样——但不像过去的科学革命——有几个先驱者早就预言了弦理论革命的到来,他们在相对隔离的环境下奋斗了多年。他们从20世纪60年代开始研究强相互作用粒子——即夸克构成的粒子,如质子和中子,因而受强核力的作用——在散射时会发生什么。这不属于那五大问题,因为现在,至少在原则上,我们可以用标准模型来解释。但在标准模型之前,这是基本粒子物理学家的核心问题之一。
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除了质子和中子,还有很多夸克组成的其他粒子,它们是不稳定的,是在加速器中打碎高能质子流而产生的。从20世纪30年代到60年代,我们积累了大量关于不同强相互作用粒子及其碰撞现象的数据。
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1968年,年轻的意大利物理学家维尼齐亚诺(Gabriele Vene-ziano)从数据中发现了一种有趣的模式。他找到一个公式来描述这种模式,公式表达的是两个粒子相互散射时在不同角度出现的概率。维尼齐亚诺的公式惊人地符合一些实验数据。35
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公式吸引了他在欧美的一些同事的兴趣,他们都对它感到疑惑。到1970年,有几个人已经可以用物理图像来解释公式了。根据那种图像,粒子不能看作点(它们以前总是被看作点的);相反,它们更像“弦”,只存在于一维,可以像橡皮筋那样拉伸。它们获得能量时伸展,失去能量时收缩——也和橡皮筋一样。而且,它们也和橡皮筋一样振动。
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维尼齐亚诺的公式就这样成了通向新奇世界的一道门,那个世界的强相互作用粒子都是橡皮筋,在运动中振动,彼此碰撞并交换能量。振动的不同状态对应着在质子破碎实验中产生的不同类型的粒子。
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维尼齐亚诺公式的解释是芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu)、玻尔研究所的尼尔森(Holger Nielsen)和斯坦福大学的苏斯金(Leonard Susskind)独立发现的。每个人都认为他做了一件迷人的事情,但发现他们的工作却没多大意思。苏斯金的文章被《物理学评论通讯》拒绝了,说他的见解还达不到发表的要求。后来,他在一次访谈中说,“嘭!我就像被垃圾筒打中了脑袋,感到非常非常憋屈。”36
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但还是有几个人接受了它,并开始做研究。也许应该更准确地称后来的思想为皮筋论。可那个名字有失尊严,所以诞生的是弦论。
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