平常的时空我们都容易理解:它有3维空间.外加1维时间.那多出来

  说宇宙本质是11维空间的说法来自于90年代重新兴起的弦理论.又称超弦理论.

  弦理论出现在1968年.但却是由一个极为偶然的线索开始的:它本来根本和引力.宇宙毫无关系.那一年.CERN的意大利物理学家维尼基亚诺(Gabriel Veneziano)随手翻阅一本数学书.在上面找到了一个叫做[欧拉β函数的东西.维尼基亚诺顺手把它运用到所谓[雷吉轨迹(Regge trajectory)的问题上面.作了一些计算.结果惊讶地发现.这个欧拉早于1771年就出于纯数学原因而研究过的函数.它竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应!

  维尼基亚诺没有预见到后来发生的变故.他也并不知道他打开的是怎样一扇大门.事实上.他很有可能无意中做了一件使我们超越了时代的事情.威顿(Edward Witten)后来常常说.超弦本来是属于21世纪的科学.我们得以在20世纪就发明并研究它.其实是历史上非常幸运的偶然.

  维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到.他们是芝加哥大学的南部阳一郎.耶希华大学(Yeshiva Univ)的萨斯金(Leonard Susskind)和玻尔研究所的尼尔森(Holger Nielsen).三人分别证明了.这个模型在描述粒子的时候.它等效于描述一根一维的[弦!这可是非常稀奇的结果.在量子场论中.任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点.怎么会变成了一根弦呢?

  虽然这个结果出人意料.但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然与当时正在那里访问的法国物理学家谢尔克(Joel Scherk)合作.研究了这个理论的一些性质.他们把这种弦当作束缚夸克的纽带.也就是说.夸克是绑在弦的两端的.这使得它们永远也不能单独从核中被分割出来.这听上去不错.但是他们计算到最后发现了一些古怪的东西.比如说.理论要求一个自旋为2的零质量粒子.但这个粒子却在核子家谱中找不到位置(你可以想象一下.如果某位化学家找到了一种无法安插进周期表里的元素.他将会如何抓狂?).还有.理论还预言了一种比光速还要快的粒子.也即所谓的[快子(tachyon).大家可能会首先想到这违反相对论.但严格地说.在相对论中快子可以存在.只要它的速度永远不降到光速以下!真正的麻烦在于.如果这种快子被引入量子场论.那么真空就不再是场的最低能量态了.也就是说.连真空也会变得不稳定.它必将衰变成别的东西!这显然是胡说八道.

  更令人无法理解的是.如果弦论想要自圆其说.它就必须要求我们的时空是26维的!平常的时空我们都容易理解:它有3维空间.外加1维时间.那多出来的22维又是干什么的?这种引入多维空间的理论以前也曾经出现过.玻尔在哥本哈根的助手克莱恩(Oskar Klein).也许会想起他曾经把[第五维的思想引入薛定谔方程.克莱恩从量子的角度出发.而在他之前.爱因斯坦的忠实追随者.德国数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza)从相对论的角度也作出了同样的尝试.后来人们把这种理论统称为卡鲁扎-克莱恩理论(Kaluza-Klein Theory.或KK理论).但这些理论最终都胎死腹中.的确很难想象.如何才能让大众相信.我们其实生活在一个超过4维的空间中呢?

  最后.量子色动力学(QCD)的兴起使得弦论失去了最后一点吸引力.正如我们在前面所述.QCD成功地攻占了强相互作用力.并占山为王.得到了大多数物理学家的认同.在这样的内外交困中.最初的弦论很快就众叛亲离.被冷落到了角落中去.

  在弦论最惨淡的日子里.只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈地沿着这条道路前进.1971年.施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作.把原来需要26维的弦论简化为只需要10维.这里面初步引入了所谓[超对称的思想.每个玻色子都对应于一个相应的费米子(玻色子是自旋为整数的粒子.如光子.而费米子的自旋则为半整数.如电子.粗略地说.费米子是构成[物质的粒子.而玻色子则是承载[作用力的粒子).与超对称的联盟使得弦论获得了前所未有的力量.使它可以同时处理费米子.更重要的是.这使得理论中的一些难题(如快子)消失了.它在引力方面的光明前景也逐渐显现出来.可惜的是.在弦论刚看到一线曙光的时候.谢尔克出师未捷身先死.他患有严重的糖尿病.于1980年不幸去世.施瓦茨不得不转向伦敦玛丽皇后学院的迈克尔·格林(Michael Green).两人最终完成了超对称和弦论的结合.他们惊讶地发现.这个理论一下子犹如脱胎换骨.完成了一次强大的升级.现在.老的[弦论已经死去了.新生的是威力无比的[超弦理论.这个[超的新头衔.是[超对称册封给它的无上荣耀.

  当把他们的模型用于引力的时候.施瓦茨和格林狂喜得能听见自己的心跳声.老的弦论所预言的那个自旋2质量0的粒子虽然在强子中找不到位置.但它却符合相对论!事实上.它就是传说中的[引力子!在与超对称同盟后.新生的超弦活生生地吞并了另一支很有前途的军队.即所谓的[超引力理论.现在.谢天谢地.在计算引力的时候.无穷大不再出现了!计算结果有限而且有意义!引力的国防军整天警惕地防卫粒子的进攻.但当我们不再把粒子当作一个点.而是看成一条弦的时候.我们就得以瞒天过海.暗渡陈仓.绕过那条苦心布置的无穷大防线.从而第一次深入到引力王国的纵深地带.超弦的本意是处理强作用力.但现在它的注意力完全转向了引力:天哪.要是能征服引力.别的还在话下吗?

  关于引力的计算完成于1982年前后.到了1984年.施瓦茨和格林打了一场关键的胜仗.使得超弦惊动整个物理界:他们解决了所谓的[反常问题.本来在超弦中有无穷多种的对称性可供选择.但施瓦茨和格林经过仔细检查后发现.只有在极其有限的对称形态中.理论才得以消除这些反常而得以自洽.这样就使得我们能够认真地考察那几种特定的超弦理论.而不必同时对付无穷多的可能性.更妙的是.筛选下来的那些群正好可以包容现有的规范场理论.还有粒子的标准模型!伟大的胜利!

  [第一次超弦革命由此爆发了.前不久还对超弦不屑一顾.极其冷落的物理界忽然像着了魔似的.倾注出罕见的热情和关注.成百上千的人们争先恐后.前仆后继地投身于这一领域.以致于后来格劳斯(David Gross)说:[在我的经历中.还从未见过对一个理论有过如此的狂热.短短3年内.超弦完成了一次极为漂亮的帝国反击战.将当年遭受的压抑之愤一吐为快.在这期间.像爱德华·威顿.还有以格劳斯为首的[普林斯顿超弦四重奏小组都作出了极其重要的贡献.不过我们没法详细描述了.网上关于超弦的资料繁多.如果有兴趣的读者可以参考这个详细的资料索引:

  

  第一次革命过后.我们得到了这样一个图像:任何粒子其实都不是传统意义上的点.而是开放或者闭合(头尾相接而成环)的弦.当它们以不同的方式振动时.就分别对应于自然界中的不同粒子(电子.光子--包括引力子!).我们仍然生活在一个10维的空间里.但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的.所以我们平时觉察不到它.想象一根水管.如果你从很远的地方看它.它细得就像一条线维的结构.但当真把它放大来看.你会发现它是有横截面的!这第2个维度被卷曲了起来.以致于粗看之下分辨不出.在超弦的图像里.我们的世界也是如此.有6个维度出于某种原因收缩得非常紧.以致粗看上去宇宙仅仅是4维的(3维空间加1维时间).但如果把时空放大到所谓[普朗克空间的尺度上(大约10^-33厘米).这时候我们会发现.原本当作是时空中一个[点的东西.其实竟然是一个6维的[小球!这6个卷曲的维度不停地扰动.从而造成了全部的量子不确定性!

  这次革命使得超弦声名大振.隐然成为众望所归的万能理论候选人.当然.也有少数物理学家仍然对此抱有怀疑态度.比如格拉肖.费因曼.霍金对此也不怎么热情.大家或许还记得我们在前面描述过.在阿斯派克特实验后.BBC的布朗和纽卡斯尔大学的戴维斯对几位量子论的专家做了专门访谈.现在.当超弦热在物理界方兴未艾之际.这两位仁兄也没有闲着.他们再次出马.邀请了9位在弦论和量子场论方面最杰出的专家到BBC做了访谈节目.这些记录后来同样被集合在一起.于1988年以超弦:万能理论?为名.由剑桥出版社出版.阅读这些记录可以发现.专家们虽然吵得不像量子论那样厉害.但其中的分歧仍是明显的.费因曼甚至以一种饱经沧桑的态度说.他年轻时注意到许多老人迂腐地抵制新思想(比如爱因斯坦抵制量子论).但当他自己也成为一个老人时.他竟然也身不由己地做起同样的事情.因为一些新思想确实古怪--比如弦论就是!

  人们自然而然地问.为什么有6个维度是蜷缩起来的?这6个维度有何不同之处?为什么不是5个或者8个维度蜷缩?这种蜷缩的拓扑性质是怎样的?有没有办法证明它?因为弦的尺度是如此之小(普朗克空间).所以人们缺乏必要的技术手段用实验去直接认识它.而且弦论的计算是如此繁难.不用说解方程.就连方程本身我们都无法确定.而只有采用近似法!更糟糕的是.当第一次革命过去后.人们虽然大浪淘沙.筛除掉了大量的可能的对称.却仍有5种超弦理论被保留了下来.每一种理论都采用10维时空.也都能自圆其说.这5种理论究竟哪一种才是正确的?人们一鼓作气冲到这里.却发现自己被困住了.弦论的热潮很快消退.许多人又回到自己的本职领域中去.第一次革命尘埃落定.

  一直要到90年代中期.超弦才再次从沉睡中苏醒过来.完成一次绝地反攻.这次唤醒它的是爱德华·威顿.在1995年南加州大学召开的超弦年会上.威顿让所有的人都吃惊不小.他证明了.不同耦合常数的弦论在本质上其实是相同的!我们只能用微扰法处理弱耦合的理论.也就是说.耦合常数很小.在这样的情况下5种弦论看起来相当不同.但是.假如我们逐渐放大耦合常数.它们应当是一个大理论的5个不同的变种!特别是.当耦合常数被放大时.出现了一个新的维度--第11维!这就像一张纸只有2维.但你把许多纸叠在一起.就出现了一个新的维度--高度!

  换句话说.存在着一个更为基本的理论.现有的5种超弦理论都是它在不同情况的极限.它们是互相包容的!这就像那个著名的寓言--盲人摸象.有人摸到鼻子.有人摸到耳朵.有人摸到尾巴.虽然这些人的感觉非常不同.但他们摸到的却是同一头象--只不过每个人都摸到了一部分而已!格林(Brian Greene)在1999年的优雅的宇宙中举了一个相当搞笑的例子.我们把它发挥一下:想象一个热带雨林中的土著喜欢水.却从未见过冰.与此相反.一个爱斯基摩人喜欢冰.但因为他生活的地方太寒冷.从未见过液态的水的样子(无疑现实中的爱斯基摩人见过水.但我们可以进一步想象他生活在土星的光环上.那就不错了).两人某天在沙漠中见面.为各自的爱好吵得不可开交.但奇妙的事情发生了:在沙漠炎热的白天.爱斯基摩人的冰融化成了水!而在寒冷的夜晚.水又重新冻结成了冰!两人终于意识到.原来他们喜欢的其实是同一样东西.只不过在不同的条件下形态不同罢了.

  这样一来.5种超弦就都被包容在一个统一的图像中.物理学家们终于可以松一口气.这个统一的理论被称为[M理论.就像没人知道为啥007电影中的那个博士发明家叫做[Q(扮演他的老演员于1999年车祸去世了.在此纪念一下).也没人知道这个[M确切代表什么意思.或许发明者的本意是指[母亲(Mother).说明它是5种超弦的母理论.但也有人认为是[神秘(Mystery).或者[矩阵(Matrix).或者[膜(Membrane).有些中国人喜欢称其为[摸论.意指[盲人摸象!

  在M理论中.时空变成了11维.由此可以衍生出所有5种10维的超弦论来.事实上.由于多了一维.我们另有一个超引力的变种.因此一共是6个衍生品!这时候我们再考察时空的基本结构.会发现它并非只能是1维的弦.而同样可能是0维的点.2维的膜.或者3维的泡泡.或者4维的--我想不出4维的名头.实际上.这个基本结构可能是任意维数的--从0维一直到9维都有可能!M理论的古怪.比起超弦还要有过之而无不及.

  不管超弦还是M理论.它们都刚刚起步.还有更长的路要走.虽然异常复杂.但是超弦/M理论仍然取得了一定的成功.甚至它得以解释黑洞熵的问题--1996年.施特罗明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的论文为此开辟了道路.在那之前不久的一次讲演中.霍金还挖苦说:[弦理论迄今为止的表现相当悲惨:它甚至不能描述太阳结构.更不用说黑洞了.不过他最终还是改变了看法而加入弦论的潮流中来.M理论是[第二次超弦革命的一部分.如今这次革命的硝烟也已经散尽.超弦又进入一个蛰伏期.PBS后来在格林的书的基础上做了有关超弦的电视节目.在公众中引起了相当的热潮.或许不久就会有第三次第四次超弦革命.从而最终完成物理学的统一.我们谁也无法预见.