宇宙的精灵 #22.1

第二十二章 宇宙的琴弦

一

1968年，物理学界标准模型的建设高潮中，26岁的意大利物理学家维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）正在欧洲核子研究中心（CERN）工作。一天闲来无事从一本旧数学书中翻出了二百年前瑞典数学家欧拉的一个不太起眼的纯数学公式——欧拉β函数，他发现数学方程的律动与强力作用有不谋而合之处，由此得出一个迷人的强力作用公式，跟实验观测一比对，果然十分吻合。可是别说维尼齐亚诺，全世界的科学家都不知道这个公式的所以然，欧拉β函数还是一个有待数学解释的公式，物理学家也不明白维尼齐亚诺公式的物理意义。直到1970年，芝加哥大学的南部阳一郎等物理学家才发现了这个公式的物理秘密：过去大家都把量子精灵看作是小不“点”，维尼齐亚诺则完全颠覆了她的形像，他的公式给人们描述了一根一维的“弦”！不，严格地说，小维描述的是一根“橡皮筋”，当它被拉长的时候，力量就会增强，收短的时候，力量反而是削弱了，与之前我们熟悉的引力和电磁力的作用机制恰好相反，而这正是强力作用的特征。后来“第二次超弦革命”的“革命领袖”威滕说过：超弦理论是二十一世纪物理学偶然落在二十世纪的碎片。一场新的物理革命的火种，就这样在不经意间萌生了。

然而弦状量子不过是一部大型古装戏里的一个漂亮的丫环，她的出场让人眼前一亮，接下来观众的注意力又回到了点状量子的主旋律。以点粒子为主角的粒子物理色动力学精彩绝仑，胶子的强力模型，渐近自由理论，优美而精确地叙述了核子的深闺秘事，天衣无缝，婉约动人，完全盖过了弦姑娘的瞬间亮丽。

惟有加州理工学院的物理学家施瓦茨老是忘不了这个漂亮的“丫环”。他想：“弦理论的数学结构太美了，而且还有那么多奇妙的性质，一定关系着什么更深层的东西。”1970年代初，巴黎高等师范学院的法国物理学家谢尔克（Joel Scherk）恰好来美国访问，施瓦茨便和他兵合一处，借着微弱的希望之光，向着弦论深处摸索。还是维尼齐亚诺的思路，他们构建的是强力作用的模型。可是在建模过程中，他们发现模型总是不那么清爽，要逻辑自洽总要产生一些“赘物”。这个困惑反而更刺激了他们的野心——弦姑娘可能本来就不是丫环命，强力不应是她的唯一角色，也许她注定就要在宇宙这部大戏中领衔主演。比如他们的模型逻辑上需要一个是自旋为2的无质量的玻色子，就酷似传说中的“引力子”！或许还可以走得更远，实现先辈们统一四种自然力的梦想。当然也有很糟糕的情况，比如这个模型还预言了一个比光速快的粒子——“快子”，这是一个无法与相对论和量子力学协调的怪胎。

还有一个问题，经典量子力学的粒子是点状的，数学上是没有大小的点，而现在的弦却是一维的线段，线动成面呐，经典的四维时空似乎就容纳不下弦理论了。最初物理学家在建构玻色子弦论的时候就发现，至少要有26维的空间，才能建立逻辑自洽的数学模型。1971年，为了解决弦论能包容费米子的问题，施瓦茨和法国物理学家雷蒙德（Pierre Ramond）等人提出了自旋弦论，发现不仅可以将费米子纳入弦模型，而且空间维也降到了10个，“快子”也从这个模型中消除了。但无论26维或10维，都是很疯狂的提议。好在人们还记得几十年前爱因斯坦导演的那场统一场论大戏的插曲，卡鲁扎和克莱因已经提出过额外维的思想，并且给出了额外维不被观测发现的理由，现在的多维理论不管被不被接受，也省去了许多解释的功夫。自旋弦论引进了“超对称”的思想，即认为费米子和玻色子总是成对产生的，任何一个基本粒子都有一个比它的自旋少1/2的“超伙伴”。建立在超对称性基础之上的弦论就被称为“超弦理论”。

当然这些成果与标准模型辉煌成功不能相提并论，况且观点太疯狂，想法太怪诞，犹如科幻小说。弦论研究就像爱因斯坦晚年的统一场论一样被告视为异类，更不堪的是，人家爱因斯坦好歹也是权威，这里就纯粹是年轻人在过家家。1970年代初研究弦论的科学家纷纷改弦更张投靠标准模型，所以弦论没热闹多久就趋于死寂，弦论的先驱者们的学术生涯也十分凄凉。他们是科学共同体的异类，放着主流的光明大道不走，却跋涉在一条大家普遍认为没有前途的羊肠小道上。无人喝彩，无人给你提供讲坛，无人给你长工资、评职称，弦论的文章被拒绝发表，因为编辑认为“达不到发表水平”。弦论科学家也是人，他们必须直面惨淡的人生，付出寂寞、清贫和地位低微的代价。雷蒙德在27岁的时候把超对称性引入弦论研究，实现了玻色子的费米子的统一，是弦论发展的一个重要的里程碑，然而他却不能在常青滕盟校中谋得一个正教授的席位，1976年还失去了在耶鲁大学的职位。施瓦茨的长期合作者谢尔克身患糖尿病，1980年的一次昏迷时由于身边没人帮他打胰岛素而命赴黄泉，年仅30岁。施瓦茨也是在不到三十岁就开始弦论研究，被誉为“弦论之父”之一，伴随弦论发展的全部过程。1980年谢尔克去世后，偌大一个物理学界，几乎就只剩施瓦茨一人独步超弦研究。他于1972年就失去了普林斯顿大学的职位，以后在加州理工学院在经常变动的临时基金的资助下做了12年的研究助理。施瓦兹在弦论研究领域功勋卓著，但学院却始终未把他吸纳为正式成员。难道超弦理论将会被物理学界的冷漠扼杀吗？

感谢科学荒野中的孤独跋涉者！谢尔克去世后，施瓦兹又找到了新的合作伙伴——英国伦敦玛丽皇后学院的物理学家迈克尔·格林(Michael Green)。巧得很，格林与谢尔克一样也是1946年出生的。征途漫漫前路迷离，怎敌他逢山开路遇水架桥，艰难困苦不堕青云之志。渐渐地，一个个微妙的矛盾被化解，一条弦论与超对称性结合的道路呈现在浓雾消散之处。终有一天，他们做成了一个超弦模型，当把自旋2无质量的引力子从数学模型中自然地推导出来的时候，他们似乎听到了成功之门开启的吱呀声。水温降到0度，只要有一个微小的扰动，液体就会瞬间发生相变，忽拉拉地就形成了冰的晶体结构。1984年，他俩合作发表了几篇超弦理论的研究论文，每次都把自己激动得一塌糊涂，但每次都一如既往地无人喝彩。直到这年的秋天，形势突然发生了逆转，“相变”终于发生了——“第一次超弦革命”爆发！

《宇宙的琴弦》一书的作者B．格林（(Brian Green)亲历了第一次超弦革命，在书中他是这样描述革命风云骤起的情形的：

我从1984年开始在牛津大学读研究生……标准模型摆在那里，预言实验结果那么成功，它的证实是迟早的事，最多不过是补充细节。超越它的极限……——一项多么可怕的的使命，只有最勇敢的物理学家才敢迎接这个挑战！但是6个月以后，气氛完全不同了。格林和施瓦茨的胜利最后感染了一年级的研究生，身在物理学历史伟大运动中的激情，替代了以往的忧郁。我们多数同学都攻读到深夜，就为了学习理解弦理论所需要的大量的理论物理和抽象数学。

这年的秋天，几个弦论的坚决反对者也开始研究超弦理论，同行们纷纷放下原先的研究课题转而研究超弦理论。正如施瓦茨所说：“它从一个极端走到了另一个极端，从无人喝彩到万众欢呼。”论文如雨后春笋，弦论的学术会议四处召开，在哈佛的弦论讲习班被称为“后现代物理学班”。物理学家们奔走相告，欢呼科学新时代的到来。昨天还茕茕孑立的施瓦茨几乎在一夜之间就从助理研究员火箭式地就升到了正教授，尽管是实至名归，但还是让人感到势态炎凉的悲哀。现在不做弦论研究成了一件需要勇气的抉择，正如当初研究弦论需要勇气一样。钱德拉在一次庆贺他荣获诺贝尔奖的会上问身边一个年轻人在做什么，年轻人说在做弦论研究，并且不知天高地厚地劝钱老赶紧放弃他的天体物理学转而研究超弦理论，否则就会像在1920年代不研究量子力学一样而后悔。

量子精灵的一个华丽变身就引起一场革命，弦姑娘何来如此震撼的魅力？