打字猴:1.700943903e+09
1700943903 弦论似乎也只能做打包的买卖。你大概只想要一个统一所有粒子和力的理论,但你得到的还有额外的东西,至少有两样是不能讨价还价的。
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1700943905 第一个是超对称性。有的弦理论不具备超对称性,但已经知道它们都是不稳定的,因为存在讨厌的快子。超对称性似乎消除了快子,但也带来了麻烦。超对称弦论只有在具有9个空间维的宇宙中才可能是和谐的。在3维空间里不可能有那样的理论。假如你想要其他性质,你就必须接受那额外的6维。这一点引出了很多麻烦。如果不能立刻排除这个理论,就必须想办法把多余的维隐藏起来。这似乎别无选择,只能将它们卷起来,小到不能察觉的程度。于是我们不得不让旧的统一理论的主要思想重新复活。
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1700943907 这提供了好机会,也提出了大问题。我们看到,过去人们用高维来统一物理学的努力都失败了,因为问题的解太多;高维的引进产生了唯一性的大难题。它还引出了不稳定性问题,因为存在不同的过程,在有的过程中,额外的维会张开而变得很大,而在另一些过程中它们会坍缩而形成奇点。弦论要想成功,就必须解决这些问题。
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1700943909 弦理论家很快意识到唯一性问题是弦论的基本特征。现在有6个额外维需要卷曲,而且有很多卷曲方式。每种方式都涉及复杂的6维空间,都产生不同形式的弦理论。因为弦论是背景相关的理论,从技术角度说,我们对它的理解是它描述了在固定背景几何下运动的弦。通过选择不同的背景几何,我们得到技术上不同的理论。它们源自相同的思想,相同的定律适用于每一个情形。但严格说来,每一个都是不同的理论。
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1700943911 这不仅是鸡毛蒜皮的事情。不同理论给出的物理预言也是不同的。多数的6维空间由一系列常数来描述,它们可以自由确定。这些常数标志着不同的几何特征,如额外维的体积等。一个典型的弦理论可以有几百个常数,它们是描述弦传播和相互作用的一部分。
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1700943913 考虑一个二维曲面的物体(如球面)。因为它是完全球形的,只需要一个参数(圆周长)来描述。现在考虑更复杂的曲面(如面包圈,图8-1)。这个曲面由两个参数描述。面包圈有两个圆周,沿不同的方向环绕它。两个圆周可以有不同的周长。
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1700943915 我们可以考虑更复杂的带有多个孔的曲面。它们需要更多的数来描述。但没有谁(至少我不知道)能直接把6维空间的形象画出来。
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1700943920 图8-1 隐藏的维可以有不同的拓扑。在这个例子中,有两个隐藏的空间维,它们具有和面包圈(环)一样的拓扑
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1700943922 然而,我们还是有描述它们的办法,就是类比面包圈或其他二维曲面可能出现多少个孔洞。我们不用弦来缠绕孔洞,而是用高维空间来缠绕它。在每种情形,缠绕的空间具有一定的体积,那将是描述那种几何的一个常数。当我们明白了弦如何在额外维中运动,所有常数都会出现。所以,我们不再只有一个常数,而是有很多常数。
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1700943924 弦论就这样克服了物理学的统一所面临的困境。即使一切都来自一个简单原理,我们也必须解释为什么会出现那么多不同的粒子和力。在最简单的可能情形,空间有9维,弦论很简单;所有相同类型的粒子都是一样的。但当弦可以在6个额外维空间的复杂几何中运动时,就将产生许多不同类型的粒子,伴随着在每个额外维的不同运动和振动方式。
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1700943926 于是我们为粒子之间的显著差别找到了自然的解释,这是统一理论必须做的事情。但这也付出了代价,即理论远不是唯一的。结果是常数发生了交换:标志粒子质量和力的强度的常数与刻画额外维几何的常数相互交换了。所以,找到能解释标准模型的常数也就不足为奇了。
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1700943928 即使如此,倘若这个图景能为标准模型的常数给出唯一的预言,它仍然是很吸引人的。如果我们通过将标准模型的常数转化为额外维几何的常数而发现了标准模型常数的某些新东西,如果这些发现与自然一致,那么这些证据将强有力地证明弦论是正确的。
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1700943930 但事实不是这样的。在标准模型里自由变化的常数转化为弦论中可以自由变化的几何。没有约束,也没有简化。因为额外维的几何有很多选择,自由常数的数目不是减少了,而是增多了。
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1700943932 而且,标准模型也没有完全重现。我们确实能导出它的一般特征,如费米子和规范场的存在,但不能从方程得到自然出现的复合现象。
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1700943934 事情从此越发恶劣了。所有弦理论都预言了额外的粒子——没有在自然看到过的粒子。伴随它们的还有额外的力。有些力来自额外维几何的变化。考虑在空间的每一点加一个球面,如图8-2。球的半径可以随我们在空间的运动而变化。
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1700943936 因此,每个球的半径可以作为它所在的点的一个性质。就是说,它像一个场。正如电磁场一样,这种场也在空间和时间中传播,生成额外的力。这一点很清楚,但这些额外的力很可能不会与我们的观测一致。
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1700943941 图8-2 隐藏维的几何可以在时空中变化。在这个例子中,球半径是变化的
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1700943943 我们一直在谈一般性,但世界只有一个。如果弦论是成功的,它不但应该是所有可能世界的模型,还必须解释我们的世界。于是,关键的问题是:有什么办法卷曲额外的6维,从而完全再现粒子物理学的标准模型?
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1700943945 有一种方法是找一个超对称的世界。因为弦论具有超对称性,于是,对称性在我们三维世界的具体表现将依赖于额外维的几何。我们可以想办法让超对称在我们的世界破缺。或者也可能是另一种情形,即现实的理论容不下许多的超对称性。
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1700943947 这就产生一个有趣的问题:是否可以选择某个额外6维的几何,使其正好满足超对称性的数量?是否可以构造某个几何,使我们的三维世界具有超对称形式的标准模型所描述的某个粒子物理学?
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1700943949 这个问题在1985年的一篇非常重要的论文得到了解决。文章的作者是四个弦理论家:坎德拉斯(Philip Candelas)、霍洛维茨(Gary Horowitz)、斯特罗明戈(Andrew Strominger)和威藤。47他们很幸运,因为数学家卡拉比(Eugenio Calabi)和丘成桐(S-hing-Tung Yau)已经解决了一个给他们带来答案的数学问题。两个数学家发现并研究了一种特别优美的6维几何形式,即现在所谓的卡丘空间。四个弦理论家证明,弦论实现某个超对称标准模型的条件也就是确定卡丘空间的条件。接着他们提出,描述大自然的弦论选择了卡丘空间作为额外6维的几何。这清除了许多其他的可能性,给理论赋予了更多的结构。例如,他们具体说明了如何将标准模型中的常数(如决定不同粒子质量的常数)转换为描述卡丘空间几何的常数。
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1700943951 这是一大进步,但也同样存在一大问题。假如只有一种卡丘空间,具有固定常数,那么我们就得到了渴望已久的唯一的统一理论。遗憾的是,竟然有很多卡丘空间,没人知道有多少。丘本人说至少有10万个。每个空间都产生不同形式的粒子物理;每个空间都伴随着一连串决定空间形状和大小的自由常数。所以没有唯一性,没有新预言,也没解释任何东西。
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