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现代版“盲人摸象”:M理论是“大象”,包含
发表于:2020-01-02 12:47 分享至:

爱因斯坦生命中的最后30年一直在寻求一个统一的理论,用以解释我们这个复杂的宇宙,他相信一定存在一个单一的、不产生任何内部矛盾的、能完美描述宇宙的终极理论。他的这种朴素的思想一直延续了下来,从上世纪中期至21世纪的今天,许多物理学家都相信爱因斯坦的观吸干机点,并且也始终不懈地努力着。这中间,弦理论就是一个具有代表性的例子。

弦理论起源于上世纪60年代末,它的中心思想就是要将广义相对论与量子力学融合,建立一个“万有理论”。发展到20年之后的上世纪80年代末,物理学家们发现,弦理论尽管向人们提供了一幅独特的宇宙图景,但是还不够完美,问题主要出在两个方面:

其一,数学方程作为构建弦理论的骨架,但方程的解却让弦理论家们头疼。比如说,有些方程只有一个唯一的解,如2X=10,那么X必定等于5,不可能还有其他的解。但假如0乘以X等于0,则X有无穷多个解,因为X可以是任何数。人们发现弦理论正是处在后者的情形,解弦理论方程时会得到无数个解,而每一个解都对应一个性质不同的宇宙,这无疑难以让人信服,也绝不是弦理论家们希望看到的。

其二,弦理论家们发现实际存在5种不同形式的弦理论,它们既有共性又有差别,每一种都不能被排除掉。它们分别是I型弦理论、IIA型弦理论、IIB型弦理论、杂化-O弦理论和杂化-E弦理论。它们的共同的基本特征是都需要一个10维的时空吸附式干燥机,以及弦振动模式决定弦的质量和电荷;它们的差别在于包容超对称性的方式不同,以及具有的振动模式的细节不同。要知道,物理学家们需要的是一个能真正的、最终的统一理论,但却涌现出5种可能的形式来,实在让物理学家困惑不已。

上述两种客观存在的问题,使得弦理论作为最具希望的“万有理论”的候选理论前景渺茫。革命性的转变发生在20世纪90年代中期,更深入的研究发现,上述问题可能是弦理论家们所采用的不同分析方法产生的。简单地说,弦理论方程太复杂了,谁也不知道它们的精确形式,由此产生了很多近似的方程,正是这些方程使得出现了5种弦理论,同时这些近似方程在5个弦理论背景下出现无数个解,生成那么多没用的宇宙。(后期又增加了11维超引力理论。)

发现了问题的根本,后来人们将之称为“第二次超弦革命”。弦理论家们发现,5种不同的10维弦理论原本是密切联系的,它们就像是海星的5个触角,是同一个整体的不同部分,而这个整体就是11维M理论。也就是说,在M理论的框架下,5种弦理论能够得到完美的统一。M理论的名字是由爱德华·威腾命名的,威腾一直没有解释“M”代表什么意思,有人称之为“谜(mystery)一般的理论”、“母(mother)理论”、“膜(membrane)理论”,每个名称似乎都很贴切。

现在,物理学家将发现5种不同的弦理论称为现代版的“盲人摸象”,它们每一个其实都是大象的不同部位,而当时的物理学家就如同被蒙上了眼睛,在黑暗中摸索,认为它们本来就是不同的。但现在已经意识到,M理论就是能统一5种弦理论的那头“大象”。