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《大科技》:爱因斯坦最后的问题2004/07/08
    林川水/文

  1955年4月17日,爱因斯坦从普林斯顿医院的病榻上坐起来,开始了他一生的最后一次计算。几个小时以后,20世纪最伟大的科学家去世了。他的床边放着他最后的、也是失败的一项努力,即创造自己的“统一场理论”一一对于宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。
  当时爱因斯坦寻求这样一项理论已经有30多年,但却没有获得成功。在当时,与任何物理学家前辈相比,爱因斯坦都更加具备把引力和电磁统一起来所需的信念与智慧,但是他很快就发现,这一难题比他想象的要难得多。第一个重大障碍是找到一条把广义相对论和麦克斯韦的方式结合成为一个统一模式的途径。根据广义相对论,引力是我们周围的空间与时间的结构本身扭曲的结果,与此形成对照,麦克斯韦的方程则把电磁力看作一种穿越四维领域流动的“力场”。

  更加糟糕的是,在爱因斯坦忙于解决自己的统一场理论的同时,人们发现了两种更基本的力——把原子核相互连接起来的所谓的核强力,以及造成放射性的核弱力。这两种力可以用“信使”粒子传导的理论来完美解释——而这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。

  1973年,美国哈佛大学的格拉肖发现了把电磁力、核弱力和核强力统一起来的一个数学公式。它称为“大一统场理论”(CUT),开辟了有关自然界的基本作用力的广阔视野,认为所有这三种力都曾经是一种在大爆炸刚刚结束的时候统治着宇宙的单一的“超力”的一部分,随着宇宙冷却下来,它们分裂开来,从而创造了我们今天所看到的宇宙。

  一些理论家当时已经尝试了利用量子场理论让引力参加进来。但是像爱因斯坦一样,他们也都遇到了严重的数学问题。

  1984年,美国加利福尼亚理工学院的约翰-施瓦茨和英国伦敦大学的米歇尔-格林等理论家的成果使同行震惊,他们宣布能够把引力与其他的力统一起来,而又不会遇到通常的问题。惟一的条件是,粒子不再被看作仅仅是点,而是称为超弦的极小的物体。这些像线一样的物体要比原子核小得多,它们还必须拥有超对称性(因而成为“超弦”),并且存在于10维之中。

  这是一个惊人的断言,促使大批理论家纷纷对超弦进行进一步的研究。然而到上世纪80年代末为止,理论物理学家们捉出的超弦理论却足足有5种,而且没有任何方法能够在它们之间做出明确选择。超弦似乎仅仅是某种更加宏大的东西的一个影子。

  1995年,普林斯顿大学高级研究所的超弦理论家爱德华-威滕指出,所有5种超弦理论仅仅是对一项单一的、凌驾于一切之上的理念的粗略的描述,他称之为M理论,“M”代表“膜”,5种超弦理论就仅仅成为11维的膜的多维的“边缘”而已。这11维当中除了4维以外全都卷曲得很小,以致我们无法看到。

  这实在是一项惊人的成就,但尚未完结。究竟M理论11维当中除了4维之外的所有维是如何卷曲到小得看不见?为什么会是如此?它们是可以通过试验察觉的吗?力和粒子之间优美的统一性为什么如此难以发现?

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