第26章 物理学的统一(1)

1974年，巴黎的朱勒・谢尔克和加州理工学院的约翰・施瓦兹颁发了一篇论文，指出弦实际能够描述引力，只不过其张力要大很多，约莫是1000万亿亿亿亿吨（1前面跟39个0）。在凡是标准下，弦实际和广义相对论的预言是不异的，但在非常小的标准下，比十亿亿亿亿分之一厘米（1厘米被1前面跟33个0除）更小时，它们就不一样了。

在前几章中，我描述了引力的部分实际即广义相对论和制约弱力、强力和电磁力的部分实际。这后三种实际能够归并成为所谓的大同一实际（GUT）。这个实际并不令人非常对劲，因为它没有包含引力，并且因为包含不能从实际预言，而必须报酬挑选以和观察合适的一些量，比方分歧粒子的相对证量，等等。要找到一个将引力和其他力同一的实际，首要困难在于广义相对论是一个“典范”实际；也就是说，它没有将量子力学的不肯定性道理连络出来。另一方面，其他的部分实际却以非常根基的情势依靠于量子力学。是以，第一步必须将广义相对论和量子力学连络在一起。正如我们已经看到的，这能产生一些明显的推论，比方黑洞不是黑的，宇宙没有任何奇点，是完整自足的并且没有鸿沟。正如第七章解释的，费事在于，不肯定性道理意味着乃至“空虚的”空间也充满了虚的粒子和反粒子对，这些粒子对似应具有无穷的能量，并且由爱因斯坦的闻名方程E=mc2得知，这些粒子似应具有无穷的质量。如许，它们的引力的吸引就会将宇宙卷曲到无穷小的标准。

弦实际也导致无穷大，但是人们以为，它们在一些像杂化弦的情势中会被消弭掉（固然这一点还没被确认）。但是，弦实际有更大的题目：仿佛时空是十维或二十六维，而不是凡是的四维时它们才是调和的！当然，分外的时空维的确是科学胡想的须生常谈；它们供应了降服广义相对论的凡是限定的抱负体例，即人们不能行进得比光更快或者观光到畴昔的限定。其思惟是穿过更高的维抄近路。你可用以下体例描画这一点。想像我们糊口的空间只要二维，并且曲折成像一个锚圈或环的大要。如果你处在这环的内侧的一边，而要跨过环到另一侧的一点去，你必须沿着环的内边沿上的圆圈走，直到目标点。但是，你如果答应在第三维空问里观光，你能够直接穿畴昔。

但是，他们的事情并没有引发很大的重视，因为约莫恰是当时候，大多数人丢弃了本来的强感化力的弦实际，而倾慕于基于夸克和胶子的实际，后者仿佛和观察合适得更好。谢尔克死得很惨（他受糖尿病折磨，在四周没人给他注射胰岛素时昏倒死去）。如许一来，施瓦兹几近成为弦实际的唯一支撑者，只不过现在假想的弦张力要大很多罢了。

但是，不肯定性道理仿佛还是我们糊口此中的宇宙的一个根基特性。是以，一个胜利的同一实际必须将这个道理连络出来。

固然这些题目，固然超引力实际中的粒子仿佛与察看到的粒子不相合适的这一究竟，大多数科学家仍然信赖，超引力能够是对于物理学同一题目的精确答案。看来它是将引力和其他力不异一起来的最好体例。但是，1984年人们的观点产生了明显的窜改，他们更喜好所谓的弦实际。在这些实际中，根基的工具不再是只占空间伶仃的点的粒子，而是只要长度而没有其他维，像是一根无穷细的弦如许的东西。这些弦能够有端点（所谓的开弦），或它们能够本身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）。一个粒子在每一时候占有空间的一点。如许，它的汗青能够在时空顶用一根线代表（“世边界”）。另一方面，一根弦在每一时候占有空间的一根线。如许它在时空里的汗青是一个叫做天下片的二维面。（在这天下片上的任一点都可用两个数来描述：一个指明时候，另一个指明这一点在弦上的位置）。一根开弦的天下片是一条带子：它的边沿代表弦的端点通过期空的途径。一根闭弦的天下片是一个圆柱或一个管：一个管的截面是一个圈，它代表在一特定时候的弦的位置。

但是，中子和核力的发明对此又是当头一棒。固然讲到这些，仍然有来由谨慎地悲观，我们现在或许已经靠近摸索天然终究定律的序幕。

相称近似地，在其他部分实际中也产生仿佛荒诞的无穷大。但是，统统这些景象下的无穷多数可用称作重正化的过程消弭掉。这牵涉到引入其他的无穷大去消弭这些无穷大。固然这个技能在数学上颇令人思疑，而在实际上仿佛确切行得通，并用来和这些实际一起作出预言，这些预言极其切确地和观察分歧。但是，从诡计找到一个完整实际的观点看，因为不能从实际中预言，而相反的为了合适观察，必须挑选质量和力的强度的实际值，是以重正化确切具有一个严峻的缺点。

正如在第一章中所解释的，一蹴而当场建立一个包含宇宙中万物的完整同一实际是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述有限范围事件的部分实际上获得了进步，这时我们忽视了其他效应，或者将它们用必然的数字来近似表示（比方，化学答应我们计算原子间的相互感化时，能够不管原子核内部的布局）。但是，终究人们但愿找到一个完整的调和的，将统统这些部分实际当作它的近似的同一实际。在这实际中不需求为某些肆意数选值去合适究竟。寻觅如许的一个实际被称之为“物理学的同一”。爱因斯坦用他暮年的大部分时候寻求一个同一实际，但是没有胜利。

两根弦能够连接在一起，构成一根伶仃的弦；在开弦的景象下只要将它们的端点连在一起便可。在闭弦的景象下，像是两条裤腿归并成一条裤子。近似地，一根伶仃的弦能够分红两根弦。在弦实际中，本来觉得是粒子的东西，现在被描画成在弦里观光的颠簸，如同振动着的鹞子的弦上的颠簸。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被接收，对应于弦的分化和归并。比方，太阳感化到地球上的引力，在粒子实际中被描述成由太阳上的粒子发射出并被地球上的粒子接收的引力子。在弦实际中，这个过程对应于一个H形状的管（在某种方面，弦实际有点像管道工程）。H的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而程度的横杠对应于在它们之间观光的引力子。

因为固然已有了引力和电磁力的部分实际，但关于核力还晓得得非常少，以是机会还没成熟。并且，固然他本人对量子力学的生长起太首要的感化，但他回绝信赖它的实在性。

另一个启事是，约翰・施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的迈克・格林颁发的一篇论文指出，弦实际能够解释内禀的左手征性的粒子存在，正如我们察看到的一些粒子那样。不管甚么启事，大量的人很快开端作弦实际的研讨，并且生长了称之为杂化弦的新情势，这类情势仿佛能够解释我们观察到的粒子范例。

在试图将不肯定性道理连络到广义相对论时，人们只要两个能够调剂的量：引力强度和宇宙常数的值。但是调剂它们不敷以消弭统统的无穷大。是以，人们获得一个实际，它仿佛预言了诸如时空的曲率的某些量真的无穷大，但是察看和测量表白它们地隧道道是有限的！人们对这个连络广义相对论和不肯定性道理的题目思疑了好久，直到1972年才被细心地计算最后确证。4年以后，人们提出了一种叫做“超引力”的能够的解答。它的思惟是将照顾引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为3/2、1、1/2和0的新粒子连络在一起。在某种意义上，统统这些粒子能够为是同一“超粒子”的分歧侧面。如许就将自旋为1/2和3/2的物质粒子和自旋为0、1和2的照顾力的粒子同一起来了。自旋1/2和3/2的虚的粒子反粒子对具有负能量，是以抵消了自旋为2、1和0的虚的粒子对的正能量。这就使得很多能够的无穷大被抵消掉，但是人们思疑，能够仍然保存了某些无穷大。人们需求找出是否还遗存下未被抵消的无穷大。但是，这计算是如此之烦复和困难，乃至于没人筹办动手去停止。即便利用一个计算机，预感起码要用4年工夫，并且犯起码一个或更多弊端的机遇是非常大的。如许，只要其别人反复计算，并获得一样的答案，人们才气判定已获得了精确的答案，但这仿佛是不太能够的！

正如我将描述的，因为我们对宇宙晓得得这么多，现在找到如许的一个实际的远景仿佛是好很多了。但是我们必须谨慎，不要过分自傲――我们在畴昔有过对胜利的弊端的希冀！比方，在本世纪初，曾经觉得任何东西都能够遵循诸如弹性和热传导之类的持续物质的性子予以解释。原子布局和不肯定性道理的发明使之完整停业。然后又有一次，1928年物理学家诺贝尔奖获得者马克斯・玻恩奉告一群来格丁根大学的拜候者：“据我们所知，物理学将在6个月以内结束。”他的信心是基于狄拉克新近发明的能够制约电子的方程。人们以为质子――这个当时仅知的另一种粒子――从命近似的方程，并且那将会是实际物理的闭幕。

弦实际有一个古怪的汗青。它本来是60年代前期被发明出来，以试图找到一个描述强力的实际。其思惟是，诸如质子和中子如许的粒子可被以为是一根弦上的颠簸。这些粒子之间的强力对应于连接其他一些弦之间的弦的片短，正如在蜘蛛网中一样。这弦必须像具有约莫10吨拉力的橡皮带，才气使这实际给出粒子之间强力的察看值。

1984年，因为两个较着的启事，人们对弦实际的兴趣俄然重生。一个启事是，在证明超引力是有限的以及解释我们察看到的粒子的种类方面，人们未能真正获得停顿。