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宇宙有多少维度:26维?

2015.10.29

一个怪异孤僻的人

理论物理学家克劳德·洛夫莱斯在2012年9月7日去世的时候,留下了满屋子的鹦鹉。没有亲人,也没有朋友的陪伴,这位美国罗格斯大学古怪的教授喜欢被这些有着彩色羽毛的“朋友们”围绕着,并听着古典音乐,这样他就可以沉思有关万物理论(即宇宙中所有4种基本作用力全部统一的理论)的问题。

这位孤独的人与他的同事关系很一般,但是罗格斯大学物理与天文学系的人们却对他的一个举动而感到惊讶和佩服——他决定把自己所有的积蓄都捐给物理与天文学系,总共约有150万美元。这些资金是用来帮助建立应用物理学领域里的讲席教授职位,不过这个领域与他自己所钻研的领域相去甚远。另外,他把自己收藏的超过4000张古典CD捐给了艺术学院,也把自己的遗体捐献给了医学院。

洛夫莱斯的去世并没有被媒体广泛报道,很显然对于大众来说他的名气不大,即使在物理学的学术圈里,他也不太出名。但无可争辩的是,他是那个时候顶尖的弦理论(把基本粒子看成一维弦的振动的理论)专家,是找到弦理论高维空间的关键人物之一,对弦理论的发展有着不可磨灭的影响。直到现在,弦理论学家们仍受惠于他的研究。

理论产生了怪物

让我们来回顾一下20世纪70年代所发生的事情。那时弦理论还处在幼年时期,虽然现在常把弦理论看成是“万物理论”的候选者之一,不过那时物理学家只是想用弦模型来研究原子核里的强相互作用,也就是说,弦理论起初只是强相互作用的候选理论而已。物理学家把原子核内之间的联系用具有不同振动模型的能量弦来表示,就像吉他上的琴弦一样,具有不同的振动模型,演奏出不同的旋律。

这时,年轻的学者洛夫莱斯决定走进这个研究领域,希望能做出一些突破性的研究。

洛夫莱斯于1934年出生于英国,他在16岁的时候就搞懂了广义相对论。之后他随着他的家人搬到了南非,在那里他进入开普敦大学深造。1958年他回到了英国,在伦敦帝国学院开始研究生的课程,师从诺贝尔物理学奖得主阿卜杜勒·萨拉姆。

没有读完博士,洛夫莱斯就离开了帝国学院,去CERN(欧洲核子研究组织)供职了。那时他开始研究来自强子弦理论的令人头疼的问题。物理学家分别使用两端不受束缚的开弦,和结合成一个圈儿的闭弦,提出了两种强相互作用模型,分别称为雷琪子模型和坡密子模型。

实践表明,任何一个物理理论模型,都必须满足一个数学条件:要求向量在系统变换时保持其长度不变,就像指南针上的指针旋转一样,不管指针怎么转,它的长度是不变的。这种保持长度不变的性质意味着物理性质是保持不变的。否则的话,理论中可以会出现一些无法解释的怪现象。所以说,这个数学条件是一个可靠理论必须具有的性质。

物理学家发现,在普通的4维时空内,以闭弦为基础的坡密子模型理论无法满足这个数学条件,而且还产生出了一个称为快子的怪物。研究发现,这种快子运动得竟然比光还快,这样它就可以回到过去了。根据相对论,快子就会破坏因果关系。尽管一些物理学家还详细研究了快子的性质,但是关于快子的理论是不被学术界看成为一种真正的物理理论的。大部分物理学家认为,一个理论要是具有快子的话,唯一的可行方案是认为快子是很不稳定,产生出的影响也很难观测到。

26维时空的诞生

经过一段时间的研究,洛夫莱斯突然找到了解决问题的方法。过去的物理学家都假设弦是处在4维时空的,而他决定改变这一假设。洛夫莱斯开始逐步提高弦所处的时空维度,直到维度是26时,他发现快子问题突然消失了,而且也满足前面所说的数学条件。他自己也对这样的结果感到万分惊讶。

之前的物理学家尝试统一自然法则时,也曾用到过那些看不见的其他维度。例如一些物理学家利用5维时空,把广义相对论和电动力学统一了起来。爱因斯坦在1930年代到1940年代初期,也曾用过5维时空去尝试统一理论。不过之后,爱因斯坦放弃了这种方法,转而去用其他方法了。不过这里的情况是,虽然也出现了其他维度,但是从5维跨越到26维,这听起来有点离谱。

1970年12月,洛夫莱斯在普林斯顿大学研讨会上宣布了他的研究成果,然而并没有获得积极的回应。洛夫莱斯回忆道,“我记得它很不受欢迎。我曾把26维看成一个笑话,然后它的确引起了一片笑声。”

尽管他所发表的论文的标题看起来十分学术,不过论文还是吸引了很多人的关注。尽管在论文最后提到26维时,用了“听起来很蠢”这样的话,不过那些弦理论家们开始注意到这个研究的重要性了,并为之兴奋。

10维的超弦理论

美国加州理工学院的物理学家约翰·施瓦茨当时也被洛夫莱斯的理论震惊,因为他完全没有想到空间还可以有如此多的维度。之后,施瓦茨成为发展超弦理论的领军人物之一。超弦理论是弦理论的一种,它不仅用弦来研究负责传递力的粒子,也用弦研究其他的基本粒子。超弦理论利用了一种被称为超对称的原理——一种可以把代表力的场转变为代表粒子的场,或反过来的方式。超弦理论很自然地预言出存在一种自旋为2的不带电荷的无质量传递粒子。(自旋为整数的粒子称为玻色子,其他的玻色子自旋都不是2,例如胶子和光子自旋为1,而希格斯玻色子自旋为0。自旋为半整数的粒子称为费米子,例如自旋为1/2的电子和夸克。)而这个粒子正好符合引力子的性质。其中,引力子被认为是传递引力的基本粒子。所以,物理学家都认为超弦理论能把自然中所有种类的力(引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用)统一起来。

物理学家发现,超弦理论中所需要的时空维度应该是个常数,结果发现维度是10。与26维对比,10维时空看起来也许更合理一些。之后,美国普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕提出的M理论——一种弦理论的拓展理论——所需要的时空维度还多了1维,是11维。

那么,时空的其他维度都在哪里呢?根据理论,它们要么卷曲到很小的空间里去了,要么对于我们来说它们是在无法触及的地方,所以我们体验到的只是3维空间和1维时间。

1971年,洛夫莱斯去了罗格斯大学,尽管他没有博士学位,但还是获得了教授职位。他余下的学术生涯都在那里度过。他的鹦鹉在玩着毛线团的同时,他在分析着物理理论的各种问题,而从他的CD播放机播出的弦乐四重奏与他的深思熟虑交织在一起。与爱因斯坦一样,他没有完成统一场论理论,但在探索之旅中,他体验到了无与伦比的喜悦。

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