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在麦克斯韦理论中,场线成为场的次要特征,但也不一定非得如此。我们可以想象场线确实存在,粒子之间的力就是在它们之间延伸的场线。这在经典理论中不可能实现,但在量子论中却可以。
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在超导体(即电阻很小或没有电阻的材料)中,磁场的场线成为离散的。每根线携带着某个极小量的磁流。我们可以将这些场线视为磁场的某种原子。20世纪70年代初,三个幻想家提出QCD的力线也是这样的,它们类似于电磁场的电力线。丹麦物理学家尼尔森就因为这个成为弦论的发明者之一——他将弦视为电流的量子化线。康奈尔的威尔逊(Kenneth Wilson)进一步发展了这幅图景,从此这种量子化的电场线被称作威尔逊线。第三个幻想家是俄罗斯物理学家波利亚柯夫(Alexander Polyakov),也许是思考规范理论与弦理论关系的最深刻的思想家。我读研究生时,听过他的一个发人深省的讲座,他宣布了他的一个宏愿,要把QCD重新表述为一个弦理论——而弦正好就是量子化的电流。
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根据这些幻想家们的思想,规范理论中的基本对象是场线。场线满足简单的定律,定律规定了场线如何在电荷之间延伸。场本身是作为另一种描述而出现的。这种思维方式自然适合弦论,因为场线可以看做弦。
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这意味着描述的对偶性:我们可以将场线视为基本的对象,而将定律视为对场线延伸和运动的描述;或者,我们可以将场视为基本对象,而将场线视为描述场的一种简便方式。在最子理论中,两种描述都是有效的。这引出一个原理,我们称它为弦和场的对偶性。不论哪种描述都行,都可以认为是基本的。
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1976年,拉蒙德失去了在耶鲁的职位,而几年前他才解决了弦论的几个中心问题。看来,提出把费米子纳入弦论的方法、发现超对称、清除快子——哪怕是一鼓作气完成的——都不足以征服他的同事们,为他在常春藤盟校赢得一个教授的位置。
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而施瓦兹在1972年就失去了普林斯顿的职位,尽管他对弦论有过他的基本的贡献。后来他到了加州理工学院,在经常变动的临时基金的资助下做了12年研究助理。只要愿意,他可以不讲课——可他也没有固定的职位。他发现了第一个能统一引力与其他力的好思想,但学院显然不相信他能进入正式员工的行列。
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无疑,弦论的创立者们为他们的先驱性发现付出了很大的代价。为了认识这是怎样的一群人物,读者需要真正了解他们的工作的意义。当年一起读研究生的朋友已经是永久的正教授了,他们有很高的薪水,工作有保障,一家人衣食无忧。他们在著名的大学里有显赫的地位。而你呢,一无所有。你在内心深处知道他们走了捷径,而你做的是可能有着更大意义的事情,它们需要更多的创造力和更大的勇气。他们随波逐流,而你发现了崭新的理论。但你还是一个博士后,研究助理,或者毫无资历的教授。你没有长期的研究保障,前景渺茫。而你作为一个科学家,还是比别人更积极——发表更多的文章,带更多的学生——远远超过了那些做低风险研究却更有保障的人们。
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那么,读者们,问问你自己,在这样的状况下,你想做什么?
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施瓦兹坚持做弦论,继续寻找证据证明它可以是物理学的一个统一理论。尽管他还不能证明理论在数学上是和谐的,41但他确信他已经把握了一些东西。当第一代弦理论家们面临着难以逾越的障碍时,他们还在激励自己,假如基本粒子是弦的振动,那么所有的疑难都将得到解决。他们列出了一张令人兴奋的清单:
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1.弦论为我们自动统一了所有的基本粒子,也统一了所有的力。它们都源自一种基本物体的振动。
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2.弦论自动产生了规范场,它们决定着电磁力和核力。这些都自然源于开弦的振动。
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3.弦论自动产生了引力子,它源自闭弦的振动;弦的任何量子理论都必须包含闭弦。结果,我们自然得到了引力与其他力的统一。
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4.超对称弦论统一了玻色子与费米子,两者都是弦的振动;因而所有的力与粒子也统一起来了。
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而且,即使弦论不对,超对称性也仍然可以是对的。弦论比普通的量子理论更合适作为超对称性的依托。虽然超对称形式的标准模型丑陋而复杂,超对称的弦论却是美妙的珍玩。
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最重要的是,弦论不费气力就实现了运动定律与力的定律的自然统一。
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于是,弦论似乎达成了我们的一个梦想。整个标准模型,连同它的12种夸克和轻子,还有三种力外加引力,都能统一起来了,因为所有这些现象源自在时空延展的弦的振动,满足最简单的定律:弦运动时经过的表面积最小。标准模型的所有常数都可以归结为牛顿引力常数和一个代表弦分裂或结合的几率的简单数字的组合。即使那个几率的数不是基本的常数,却代表了环境的性质。
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弦论承诺了那么多,难怪施瓦兹和他的几个合作者相信它一定是正确的。就统一问题而言,没有别的理论能在一个简单思想的基础上实现那么多东西。面对这样的前景,就只剩下两个问题了:它有效吗?需要什么代价?
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1983年,我还是普林斯顿高等研究院的博士后,施瓦兹应邀来普林斯顿大学做了两个弦论的演讲。我以前没听过多少弦理论的东西,对他的演讲我只记得听众们紧张而不安的反应,一半是兴趣,一半是怀疑。威藤(Edward Witten)那时已经是基本粒子物理学的大人物,经常打断施瓦兹的演讲,问了他一连串长久的难题。我原以为这是怀疑的表现。后来我才逐渐明白,那是强烈兴趣的流露。施瓦兹很自信,但也有一点儿倔犟。我的印象是,他花了很多年的时间去感染别人对弦论发生兴趣。他的讲话使我相信他是一个勇敢的科学家,但没能说服我做弦论的研究。那时,我认识的每个人都在做着自己的项目,而对那个新理论漠不关心。几乎没人意识到我们正生活在我们常说的物理学的末日。
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物理学的困惑 第八章 第一次超弦革命
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第一次超弦革命发生在1984年秋。称它为革命似乎有点儿自命不凡,但也名副其实。6个月前,只有少数大胆的物理学家在做弦论,除了个别同事,别人并不在意他们。正如施瓦兹说的,他和新合作伙伴、英国物理学家格林(Michael Green)“发表了好几篇论文,每次我都对结果感到激动……每次我们都觉得大家这回该对它发生兴趣了,因为他们可以看到这个学科是多么令人振奋。但还是无人喝彩。”426个月后,几个最坚决的批评者也开始做弦论了。在新的氛围下,不丢弃自己正在做的事情而去追随他们,是需要勇气的。
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事情的转折在于施瓦兹和格林的一个计算,它强有力地证明了弦论是一个有限而和谐的理论。更准确地说,他们终于成功地证明了,在超对称弦论(至少在10维时空)中,困惑许多统一理论的某些危险的方法(即所谓的“反常”)没有了。43我还记得对那篇论文的反应是既震惊又欢欣:震惊是因为有人怀疑弦论能在任何水平与量子论和谐一致;欢欣是因为格林和施瓦兹打消了怀疑,让人们期待统一物理学的最终理论已经握在我们手上了。
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再也找不出更快的变化了。正如施瓦兹回忆的,就在我们要写完的时候,我们接到威藤的电话,说他听说……我们已经有了清除反常的结果。他想看看我们的工作。于是我们写了一个草稿,通过FedEx寄给他。那时没有email,它还没出现呢;但有了FedEx。所以我们寄给了他,他第二天就收到了。我们听说,普林斯顿大学和高等研究院的每一个人,所有的理论物理学家,都在做了,人数不少呢……于是,它在一夜之间就成了热门话题[笑],至少在普林斯顿——很快就影响了世界其他地方。这是很奇怪的事情,因为这么多年来我们发表了很多结果,却没人关心。可现在人们一下子变得兴奋起来。它从一个极端走到了另一个极端:从无人喝彩到万众欢呼……44
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弦理论承担了其他理论没有的使命——它自诩为一个引力的量子理论,也是真正的力与物质的统一。它大胆而美妙的一击,似乎至少解决了那五个理论物理学问题中的三个。就这样,经过多年的失败之后,我们仿佛突然找到了黄金。(有趣的是,施瓦兹也马上从加州理工学院的高级研究助理提升为正教授。)
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