第11章 萬物理論 (3)

從弱力理論得到統一是正確方法的一個跡象。隻描述弱力自身的量子場論是不能重正化的；也就是說，它具有不能由減去有限個如質量和荷的量來對消的無限。然而，阿伯達斯·薩拉姆和史蒂芬·溫伯格於1967年各自獨立地提出一個理論，在該理論中電磁力與弱力相統一，而且發現統一能解決無限的困難。這統一的力被稱作弱電力。其理論可被重正化，而且它預言了三個W，W和Z0的新粒子。1973年在日內瓦的CERN發現了Z0的證據。薩拉姆和溫伯格在1979年獲得諾貝爾獎，盡管直到1983年W和Z粒子才被直接觀察到。

在被稱為QCD，或者量子色動力學的理論中強力自身可被重正化。按照QCD，質子，中子以及其它很多物質基本粒子是由誇克構成。誇克具有物理學家同意稱之為顏色的奇妙性質(術語“色動力學”由此而來，盡管誇克的色僅僅為有用的標簽——和可見的顏色沒什麽關聯)。誇克處於三種所謂的顏色——紅，綠和蘭。此外，每種誇克都有一個反粒子夥伴，而那些粒子的顏色叫做反紅，反綠和反藍。其思想是隻有不具有淨顏色的組合能作為自由粒子存在。一種顏色和其反顏色抵消，因而誇克和反誇克形成一個無色的對，一種稱為介子的不穩定粒子。還有，當所有三種顏色(或反顏色)混合，其結果就沒有淨顏色。三個誇克，每種顏色一個，形成叫做重子的穩定粒子，質子和中子是其中的例子(而三反誇克形成重子的反粒子)。質子和中子是構成原子核的重子，而且是宇宙中所有正常物質的基礎。

QCD還有一個叫做漸近自由的性質，我們在第三章提到了它但未命名它。漸近自由是指當誇克靠近在一起時，它們之間的強力很小，但是如果它們離開很遠則增大，它們相當類似由橡皮筋連在一起。漸近自由可以解釋為何我們在自然中沒有看到孤立的誇克，而且未能在實驗室製造它們。盡管我們不能觀察到單獨誇克，因為它如此成功地解釋質子，中子和其它物質的粒子，所以我們接受這個模型。

在統一了弱力和電磁力後，1970年代科學家尋找一種將強力加入到這理論中的方法。存在一些將強力和弱力以及電磁力統一的所謂的大統一理論或GUT。然而它們中多數預言，質子——我們由之構成的材料，應在平均10的32次方年後衰變。鑒於宇宙隻有10的10次方年那麽老，這是非常長的壽命。但在量子物理中，當我們說一個粒子平均壽命為10的32次方年，我們不是指大多數粒子近似10的32方年，有些長一些，有些短一些。相反地，我們的意思是，每年每個粒子有10的32方分之一衰變的可能性。因而你隻要盯著容納10的32次方個質子的大容器幾年，你就應能看到一些質子衰變。由於僅一千噸的水就包含10的32次方個質子，所以建造這樣的大容器不甚困難。科學家進行了這種實驗。結果是檢測出衰減，並將其和持續從太空向我們撒來的宇宙線引起的其它事件區分開來絕非易事。為了盡可能減小幹擾，這種實驗在深處進行，諸如在日本的一座山下深3281英尺的神岡莊開煉礦公司的礦中進行，它可以防禦一些宇宙線。研究者從2009年的觀測結果作出結論，如果質子真地衰變的話，其壽命比10的34次方年還長，這對於大統一理論是個壞消息。

由於更早的觀測證據也不能支持GUT，大多數物理學家采納稱作標準模型的特別理論，它包含弱電力的統一理論和作為強力理論的QCD。然而在標準模型中，弱電力和強力分別作用，而未被真正統一。標準模型非常成功並且和所有現在的觀測證據符合，但是因為除了沒有將弱電力和強力統一外，它還沒有納入引力，所以終究是不滿意的。

將強力和電磁力以及弱力融合在一起也許已被證明是困難的，但同將引力與其它三種力合並，或甚至創立一個獨立的量子引力論相比，可謂小菜一碟。創立量子引力論被證明如此困難的原因必然與我們在第四章討論過的海森伯原理有關。考慮到這個原理，結果是場的值與它的變化率起著和粒子位置與速度同樣的作用，這點是不明顯的。也就是說，其中一個越精確地被確定，則另一個隻能是更不精確。其重要的推論之一是，不存在象空虛的空間的這類東西。那是因為空虛空間意味著無論是場值還是它的變化率都精確地為零。(如果場的變化率不為零，則空間不會保持空虛。)由於不確定性原理不允許場和變化率都是準確的，空間永不能空虛。它可擁有一個最低能量的態，稱作真空，然而那個態遭受到所謂的量子顫抖，或者真空漲落——粒子和場不停出現和消失。

人們可將真空漲落認為是許多粒子對在某一時間一起出現，相互離開，然而又回到一起，並相互湮滅。按照費恩曼圖，它們對應於閉合的圈。這些粒子稱為虛粒子。和實粒子不同，不能用粒子探測器直接觀察到虛粒子。然而，它們的間接效應，諸如在電子軌道上的能量的小改變可被測量到，並和理論預言一致到驚人的準確程度。問題是虛粒子具有能量，而且因為存在無限數目的虛粒子對，它們就會擁有無限的能量。根據廣義相對論，這意味著它們會將宇宙彎曲到無限小尺度，這顯然沒有發生！

這個無限的困難類似於強，弱和電磁力理論中發生的問題，除了在那些場合重正化消除了無限。但在引力的費恩曼圖中的閉圈不能被重正化吸收掉，因為在廣義相對論中沒有足夠多的重正化參數(諸如質量和荷的值)去消除從理論來的所有量子無限。因此，我們留下了一個引力理論，它預言某些量，諸如時空曲率是無限的，這個理論無法開動一個可居住的宇宙。那意味著，獲得聰明的理論的僅有可能性是不求助於重正化，所有的無限被某種辦法對消掉。

1976年對這個問題找到一個可能的解決辦法，它被稱作超引力。這個前綴“超”加上不是因為物理學家認為這個量子引力論可能真的行得通，這一點是“超級的”。相反地，“超”是指理論擁有的稱為超對稱的一種對稱。

在物理學中，如果一個係統的性質在某些諸如在空間中，將其旋轉或取鏡像的某種變換下而不受影響，則它擁有對稱。例如，如果你把一個甜麵包圈翻過來，它顯得完全不同(除非它上部有巧克力，那種情景最好就吃掉它)。超對稱是一種更微妙的對稱，與通常空間的變換無關聯。超對稱的一個重要含義是，力粒子和物質粒子，因此力和物質，真正地僅是一個同樣東西的兩麵。實際地講，那意味著每個物質粒子，諸如誇克，應該具有一個力粒子的夥伴粒子，而每個力粒子，諸如光子應該具有一個物質粒子的夥伴粒子。因為，人們發現從力粒子閉圈引起的無限是正的，而從物質粒子閉圈引起的無限是負的，這樣在理論中致使從力粒子和它們夥伴物質粒子引起的無限抵消掉，所以超對稱具有解決無限的問題的可能性。可惜的是，需要找出在超引力中是否存在任何留下的未被對消的無限的計算是這麽冗長，又這麽困難，並且可能發生這樣錯誤，使得沒人準備著手進行。盡管如此，大多數物理學家相信，超引力可能是把引力和其它力統一問題的正確答案。

你也許會以為檢查超對稱的成立是件容易的事——就檢查存在粒子的性質，並看它們是否配對。這樣的夥伴粒子沒有被觀察到。然而，物理學家進行過各種計算表明對應於我們觀察到的粒子的夥伴粒子應是質子一千倍那麽重，如果不是更重的話。這種粒子太重了。以至迄今在任何實驗中都看不到，但在日內瓦的大型強子碰撞機中有望最終創生這樣的粒子。

超對稱的思想是創造超引力的關鍵，但此概念實際起源於多年前研究所謂弦論的理論雛形的理論家們。根據弦論，粒子不是點，而是具有長度沒有高度或寬度的象無限細的一段弦的振動模式。弦論也導致無限，但人們相信，這種無限在合適的版本中將被對消掉。它們還有另外不尋常的特征：隻有在時空為十維而不是通常的四維時，它們才是協調的。十維也許聽起來激動人心。但是你若忘記何處泊車它們就會引起真正的問題。如果它們存在的話，為何我們沒有覺察到這些額外的維度呢？根據弦論，它們被卷縮成非常小尺度的空間。為了描述這個，想象一個二維的平麵。

因為你需要兩個數(例如水平和垂直坐標)去定位平麵上的任何點，所以稱平麵是兩維的。另一個兩維的空間是麥秸的表麵。為了在這個空間定位，你要知道這一點在沿著麥秸長度的何處，還需要位於沿其圓周維度的何處。然而如果麥秸非常細，那麽隻用沿著麥秸長度的坐標你就能得到近似得非常好的位置，這樣你可不考慮圓周的維度。而如果麥秸在直徑方向是億億億億億分之一百英寸，你就根本不會覺察到圓周的維度。這就是弦理論家擁有的額外維的圖像——這些額外維在小至我們看不見的尺度上，高度彎曲或卷曲的。在弦論中額外維被卷曲成所謂的內空間，相對於我們日常生活中經驗到的三維空間。正如我們正要看到的，這些內部狀態不僅是毫無聲息的隱藏的維度。它們具有重要的物理意義。

弦論除了維數的問題，還受另一個令人困惑的問題的折磨：似乎至少存在五種理論以及幾百萬種額外維卷縮的方式，對於那些提倡弦論是萬物的唯一理論的人而言，這是非常令人困窘的可能性。後來，大約在1994年左右，人們開始發現對偶性——不同的弦論以及不同的卷縮額外維的方式，是描寫四維中的同樣現象的全然不同的方式。此外，他們發現超引力也以這種方式和其它理論相關聯。弦理論家現在堅信，五種弦理論和超引力隻是一個更基本理論的不同近似，各自在不同的情形成立。

正如我們早先提到的，那個更基本的理論稱為M理論。似乎無人知道“M”代表什麽，它可能代表“主要”“奇跡”或者“神秘”。它似乎是所有這三者。人們仍然努力去釋明M理論的性質，但那也許是不可能的。在傳統上，物理學家期望自然有一個單獨理論，這或許難以獲得支持，並且也不存在一個單獨的表述。我們要描述宇宙，可能隻好在不同的情形下用不同的理論。每一種理論都擁有它自己的關於實在的版本。但是根據依賴模型的現實主義，隻要在理論一旦交疊，也就是它們都能適用之處，它們的預言一致，那就可以被接受。

不管M理論是作為一個單獨的表述，還是隻作為一個網絡而存在，我們的確知道它的一些性質。首先，M理論具有十一維時空，而不是十維時空。弦理論家早就懷疑，十維的預言也許必須調整，而最近的研究顯示，一維的確被忽略了。還有，M理論不僅包含有振動的弦，還包含點粒子，二維膜，三維塊，以及其它更難被想象的占據直至九維的更多空間維度的其它物體。這些物體被稱作P—膜(這兒P從零到九)。

卷縮成極小維度的大量方式又是怎麽回事呢？在M理論中那些額外的空間維度不能以任意方式卷縮。該理論的數學限製內空間維度能被卷縮的方式。內空間的準確形狀既確定物理常數的值，比如電子的荷，又確定基本粒子之間的相互作用。換言之，它確定自然的表觀定律。我們說“表觀”是因為我們說的定律是指在我們的宇宙中觀測到的——四種力的定律，以及諸如那些表征基本粒子的質量和電荷的參數。但是更基本的定律是M理論中的那些定律。

因此，M理論的定律允許擁有不同表觀定律的不同宇宙，依內空間如何卷縮而定。M理論具有允許不同內空間，也許多達10的500次方的解，這意味它允許10的500次方的不同宇宙，各自具有自己的定律。為了得到那有多少的印象，這麽考慮：如果某種生物隻在一毫秒就能分析為那些宇宙中的每一個預言的定律，並且從大爆炸就開始進行，至今那個生物才研究了其中的10的20次方個。而且那是連在喝咖啡的時間都不休息。

幾個世紀之前，牛頓證明，數學方程能對物體相互作用給出令人驚訝的準確描述，無論是在地球還是在天穹。科學家們由此相信，如果我們知道正確的理論並擁有足夠的計算能力,便能預見整個宇宙。後來出現了量子不確定性，彎曲空間，誇克，弦，以及額外維，而他們工作的最後結果是10的500次方個宇宙，各擁有不同定律，其中隻有一個對應於正如我們所知道的宇宙。物理學家原先希望創造一個單獨的理論，把我們宇宙的表觀定律解釋成一些簡單假設的唯一可能的結果，這種希望也許必須被拋棄。那我們該怎麽辦？如果M理論允許10的500次方族的表觀定律，那我們為何落到這個宇宙，並擁有我們可見到的定律？其它那些可能的世界又是怎樣的呢？