什麼是弦理論？優雅的數學描述強相互作用力

弦理論是一套尖端理論，認為基本粒子都是微小的、由不斷振動的弦構成的環。

　　新浪科技訊 北京時間4月4日消息，據國外媒體報道，弦理論是一套人們為統一20世紀的兩大支柱理論——量子力學與相對論——而提出的理論，試圖用一套大一統框架來解釋所有的物理現象。弦理論假定，粒子其實是一種類似琴弦的一維實體，其振動規律決定了該粒子的質量和電荷等性質。

　　據牛津大學和英國皇家科學院建立的一個有關弦理論的網站介紹，這套反直覺的理論最早提出於上世紀60至70年代，當時的科學家們曾用「弦」的概念為歐洲亞原子對撞機產生的數據建模。弦為強相互作用力提供了一種優雅的數學描述（強相互作用力是宇宙中的四種基本力之一，原子核正是依靠這種力結合在一起的。）

　　在很長一段時間裡，這個話題都處於學界邊緣位置，一直到1984年的「弦理論革命」為止。就在那一年，理論學家邁克爾?格林（Michael Green）和約翰?施瓦茨（John Schwarz）提出的等式顯示，如將粒子描述為「弦」，便可避免將粒子描述為點狀物質的各類模型存在的特定矛盾。

　　但在該理論萌芽之後，研究人員相繼提出了五種不同的、解釋一維的弦如何在10維宇宙中振動的模型。1995年，科學界迎來了第二次弦理論革命。物理學家發現，這些各自迥異的理論實則互相關聯，並且可以與另一套名為「超引力」的、運用於11維空間的理論相結合。弦理論就此演變成了我們如今所知的形式。

　　解謎

　　弦理論是人們為創造「萬物理論」所做的眾多嘗試之一。所謂的「萬物理論」能夠取代物理學標準模型，對所有已知粒子和作用力進行描述。許多科學家都是弦理論的擁躉，因為它極具數學美感。弦理論的等式十分「優雅」，對物理世界的描述也令許多人感到極為滿意。

　　該理論利用一種特殊的、正在振動的弦來解釋引力，其性質與引力子性質相對應。引力子是一種假想中的、帶有引力的量子力學粒子。與我們熟悉的三個空間維度和一個時間維度不同，該理論涉及11個維度，但支持者們並未因此被「勸退」。支持該理論的物理學家們認為，這些多餘的維度可以蜷曲在一個極小的空間中，尺度達10-33厘米，因此一般無法被我們探測到。

　　研究人員試圖用弦理論解答一些宇宙基本問題，如黑洞內部是什麼情況等等，或者模擬宇宙大爆炸等宇宙事件。有些科學家甚至嘗試過用弦理論解決暗能量問題，即加速時空擴張的神秘作用力。

　　永不停步的探求

　　但弦理論近來遭到了不少質疑。弦理論的大多數預測都無法用現有技術檢驗真偽，許多研究人員不禁懷疑，這條探索之路究竟有沒有盡頭。2011年，物理學家們聚集在美國自然歷史博物館，參加第11次艾薩克?阿西莫夫紀念辯論大會，討論利用弦理論描述物理現實的做法是否合理可行。

　　自然歷史博物館海頓天文台主任尼爾?德格拉斯?泰森（Neil deGrasse Tyson）指出，弦理論近年來的進展時好時壞。

　　弦理論遭遇的最新挑戰來自該理論框架本身。據該框架預測，除了我們自己的宇宙之外，可能還存在多達10500個獨一無二的宇宙。既然存在這麼多的多重宇宙，只要研究人員展開探索，總會遇到一個與我們所在宇宙相對應的宇宙。但2018年，一篇頗具影響力的論文指出，這些假想宇宙中沒有一個看上去與我們自己的宇宙相似。說得更具體些，沒有一個多重宇宙能按照我們目前的理解描述暗能量。

　　「弦理論學家們提出了無數種數學解釋，但均不與我們的觀測結果存在任何已知關聯。」德國法蘭克福高等研究院物理學家薩比娜?霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）指出。

　　其他研究人員則堅信，弦理論總有一天會證明自己。密歇根大學物理學家戈登?凱恩（Gordon Kane）表示，大型強子對撞機升級完成後，不久便可提供佐證弦理論的證據。不過就目前而言，該理論的最終命運仍是個未知數。（葉子）

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