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够崃郑热缭诤诙凑舴⒑笫欠裢鲁龅背醭缘舻男畔⒄庖晃侍馍稀;艚鸷退鞫鞫乃换幔绽姿够乃幔淖⑹恰ㄐ畔ⅰū旧怼だ呓玫揭槐景倏迫椋≌飧鑫侍馄薅郏还幼罱⒄沟氖仆防纯矗艚鹩钟惺涞奈O铡=衲辏�2004年)初,俄亥俄州立大学的科学家用弦论更为明确地证明了,黑洞很可能将吐出信息!
2000年,霍金又和密歇根大学的凯恩(Gordon Kane)赌100美元,说在芝加哥附近的费米实验室里不可能发现所谓的〃希格斯玻色子〃(这是英国物理学家希格斯于1964年预言的一种有重要理论意义的粒子,但至今尚未证实)。后来他又和欧洲的一些粒子物理学家赌,说日内瓦的欧洲粒子物理实验室里也不可能发现希格斯子。这次霍金算是赢了,至今仍然没有找到希格斯子的踪迹。不过霍金对于这个假设的嘲笑态度使得许多粒子物理学家十分恼火,甚至上升为宇宙物理学家和粒子物理学家之间的一种矛盾。希格斯本人于2002年在报上发表了言词尖刻的评论,说霍金因为名气大,所以人们总是不加判断地相信他说的东西。这也引起了一场不大不小的风波。
在科学问题上打赌的风气由来已久,而根据2002年Nature杂志上的一篇文章(Nature 420; p354),目前在科学的各个领域内各种各样的赌局也是五花八门。这也算是科学另一面的趣味和魅力吧?不知将来是否会有人以此为题材,写出又一篇类似《80天环游地球》的精彩小说呢?
五
在统一广义相对论和量子论的漫漫征途中,物理学家一开始采用的是较为温和的办法。他们试图采用老的战术,也就是在征讨强、弱作用力和电磁力时用过的那些行之有效的手段,把它同样用在引力的身上。在相对论里,引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应,而正如我们所看到的,量子场论把基本的力看成是交换粒子的作用,比如电磁力是交换光子,强相互作用力是交换胶子……等等。那么,引力莫非也是交换某种粒子的结果?在还没见到这个粒子之前,人们已经为它取好了名字,就叫〃引力子〃(graviton)。根据预测,它应
该是一种自旋为2,没有质量的玻色子。
可是,要是把所谓引力子和光子等一视同仁地处理,人们马上就发现他们注定要遭到失败。在量子场论内部,无论我们如何耍弄小聪明,也没法叫引力子乖乖地听话:计算结果必定导致无穷的发散项,无穷大!我们还记得,在量子场论创建的早期,物理学家是怎样地被这个无穷大的幽灵所折磨的,而现在情况甚至更糟:就算运用重正化方法,我们也没法把它从理论中赶跑。在这场战争中我们初战告负,现在一切温和的统一之路都被切断,量子论和广义相对论互相怒目而视,作了最后的割席决裂,我们终于认识到,它们是互不相容的,没法叫它们正常地结合在一起!物理学的前途顿时又笼罩在一片阴影之中,相对论的支持者固然不忿气,拥护量子论的人们也有些踌躇不前:要是横下心强攻的话,结局说不定比当年的爱因斯坦更惨,但要是战略退却,物理学岂不是从此陷入分裂而不可自拔?
新希望出现在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,如果大家还记得在我们的史话中曾经小小地出过一次场的,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