弦理论,像大多数革命一样,有着卑微的起源。早在20世纪60年代,人们就开始尝试理解最近才被发现的强核力的工作原理。量子场论曾被成功地用来解释电磁力和弱核力,但它似乎无法解决这个问题,因此物理学家们渴望找到新的东西。
一群物理学家采用了量子教父维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)发展(后来被抛弃)的一种形式主义,并对其进行了扩展。在这种膨胀中,他们发现了在时空中重复自身的数学结构:第一弦。不幸的是,这个原弦理论对强作用力的性质做出了不正确的预测,而且还有各种各样令人烦恼的伪命题(比如超光速粒子的存在,超光速粒子的速度只比光速快)。
一旦另一个理论崭露头角,即我们今天所知的基于夸克和胶子的理论,弦理论就淡出了人们的视野。但是,就像大多数革命一样,多年来,窃窃私语仍然存在,使希望保持活力。在20世纪70年代,物理学家发现了弦理论的几个显著特性。第一,该理论可以支持更多的力,而不仅仅是强核力。弦理论中的弦有巨大的张力,迫使它们自己蜷缩成尽可能小的体积,大约在普朗克尺度附近。一旦到位,弦就能承受各种振动,就像绷紧的吉他弦一样。不同的振动导致不同的力的表现:一个音符表示强核,另一个音符表示电磁力,等等。
弦的一种可能的振动就像一个无质量的自旋为2的粒子。这是一个非常特殊的粒子,因为它是引力的量子载体,是引力量子化理论的圣杯。当时的理论家们简直不敢相信他们的黑板:弦理论自然地、优雅地包含了量子引力,而他们甚至都没有尝试!
20世纪70年代出现的第二件大事是超对称的引入,它声称,所有携带力的粒子(称为玻色子,如光子和胶子)都与粒子世界中的一个超对称伙伴(称为费米子,如电子和夸克)相关联,反之亦然。这种对称性不会出现在正常的、随意的、日常的环境中,而只会出现在极高的能量中。因此,如果你回到大爆炸的最初时刻,或者有足够的资金在木星轨道上建造一个粒子对撞机,你不仅会看到我们熟悉的普通粒子动物园,还会看到它们所有的超对称伙伴,它们被赋予了合适的愚蠢名称,比如选择电子、中微子、夸克、超光子,还有我个人最不喜欢的:酒波色子。
不管能量尺度如何,通过建立这种连接,弦理论可以在玻色子和费米子之间架起一座桥梁,使弦理论从仅仅是一种力的理论飞跃到存在的每一个粒子的理论。它还解决了令人讨厌的超光子问题,这是一个很好的突破。
在20世纪70年代末,弦理论有可能解释所有的粒子和它们之间的所有相互作用,并为引力提供量子解。
一种理论统治一切,一种理论发现一切,一种理论带来一切,并在弦中束缚一切。
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