返回第26章 物理学的统一(1)(第2/3页)  时间简史首页

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如时空的曲率的某些量真的无限大,但是观察和测量表明它们地地道道是有限的!人们对这个结合广义相对论和不确定性原理的问题怀疑了许久,直到1972年才被仔细地计算最后确证。4年之后,人们提出了一种叫做“超引力”的可能的解答。它的思想是将携带引力的自旋为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的新粒子结合在一起。在某种意义上,所有这些粒子可认为是同一“超粒子”的不同侧面。这样就将自旋为1/2和3/2的物质粒子和自旋为0、1和2的携带力的粒子统一起来了。自旋1/2和3/2的虚的粒子反粒子对具有负能量,因此抵消了自旋为2、1和0的虚的粒子对的正能量。这就使得许多可能的无限大被抵消掉,但是人们怀疑,可能仍然保留了某些无限大。人们需要找出是否还遗存下未被抵消的无限大。然而,这计算是如此之冗长和困难,以至于没人准备着手去进行。即使使用一个计算机,预料至少要用4年工夫,而且犯至少一个或更多错误的机会是非常大的。这样,只有其他人重复计算,并得到同样的答案,人们才能判断已取得了正确的答案,但这似乎是不太可能的!

    尽管这些问题,尽管超引力理论中的粒子似乎与观察到的粒子不相符合的这一事实,大多数科学家仍然相信,超引力可能是对于物理学统一问题的正确答案。看来它是将引力和其他力相统一起来的最好办法。然而,1984年人们的看法发生了显著的改变,他们更喜欢所谓的弦理论。在这些理论中,基本的对象不再是只占空间单独的点的粒子,而是只有长度而没有其他维,像是一根无限细的弦这样的东西。这些弦可以有端点(所谓的开弦),或它们可以自身首尾相接成闭合的圈子(闭弦)。一个粒子在每一时刻占据空间的一点。这样,它的历史可以在时空中用一根线代表(“世界线”)。另一方面,一根弦在每一时刻占据空间的一根线。这样它在时空里的历史是一个叫做世界片的二维面。(在这世界片上的任一点都可用两个数来描述:一个指明时间,另一个指明这一点在弦上的位置)。一根开弦的世界片是一条带子:它的边缘代表弦的端点通过时空的路径。一根闭弦的世界片是一个圆柱或一个管:一个管的截面是一个圈,它代表在一特定时刻的弦的位置。

    两根弦可以连接在一起,形成一根单独的弦;在开弦的情形下只要将它们的端点连在一起即可。在闭弦的情形下,像是两条裤腿合并成一条裤子。类似地,一根单独的弦可以分成两根弦。在弦理论中,原先以为是粒子的东西,现在被描绘成在弦里旅行的波动,如同振动着的风筝的弦上的波动。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收,对应于弦的分解和合并。例如,太阳作用到地球上的引力,在粒子理论中被描述成由太阳上的粒子发射出并被地球上的粒子吸收的引力子。在弦理论中,这个过程对应于一个H形状的管(在某种方面,弦理论有点像管道工程)。H的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子,而水平的横杠对应于在它们之间旅行的引力子。

    弦理论有一个古怪的历史。它原先是60年代后期被发明出来,以试图找到一个描述强力的理论。其思想是,诸如质子和中子这样的粒子可被认为是一根弦上的波动。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。这弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带,才能使这理论给出粒子之间强力的观察值。

    1974年,巴黎的朱勒·谢尔克和加州理工学院的约翰·施瓦兹发表了一篇论文,指出弦理论可以描述引力,只不过其张力要大得多,大约是1000万亿亿亿亿吨(1后面跟39个0)。在通常尺度下,弦理论和广义相对论的预言是相同的,但在非常小的尺度下,比十亿亿亿亿分之一厘米(1厘米被1后面跟33个0

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