第15章 万有理论

步。它包含19种可调参数，它们必须由实验确定，但是就该理论本身而言取值可以是完全任意的。此外，还有一个重要的相互作用力——引力，被排除在模型之外。标准模型的成功预示着我们的想法已经走上正轨，但其不足之处又表明，探索仍需继续。

引力的难题

标准模型中引力的缺失不仅仅是一种疏忽。从表面上看，引力和电磁力差不多，比如牛顿的万有引力和电场的库仑力都与距离的平方成反比。然而，所有试图以标准模型中的电磁力理论或者其他相互作用理论为蓝本，来发展引力量子理论的尝试，都遭遇了棘手的问题。

两个带电粒子之间产生电场力是由于光子的不断交换，粒子就像两个篮球运动员，在球场上跑动的同时不断来回传球。同样，引力相互作用也可以被描述为引力场的量子——引力子——之间的交换。只要相互作用的粒子相距甚远，这种描述实际上相当有效，因为此时引力较弱，时空几乎是平直的。（还记得前文说过，引力与时空的曲率相关。）在这种情况下，引力子可以被描述为平直时空中两个相互作用的粒子间跳动的小突起。

然而，如果这两个粒子相距很近，情况就全然不同了。正如我们在第12章中所讨论的，小尺度上的量子涨落使得时空具有类似泡沫的几何结构（见图12.1）。在这样一个混乱无序的环境中，我们完全不知道该如何去描述粒子的运动与相互作用。粒子在平直时空中运动并相互发射引力子的画面显然不适用于这个场景。

只有在小于普朗克长度的距离内，量子引力的影响才变得重要起来。这个距离小得难以想象，它是原子直径的1025分之一。为了探测这样的距离，必须用巨大的能量去粉碎粒子，而这样的能量远远超出了当前最强大的加速器的能力范围。在可以被探测到的较大一些的距离尺度上，时空几何结构上的量子涨落会相互抵消，量子引力也可以毫无顾忌地被忽略不计，但是在我们探索自然的终极定律时，爱因斯坦的广义相对论和量子力学之间的冲突是不容忽视的。不管是引力还是量子现象，都必须在终极理论中得到解释，因此，将引力排除在外的做法并不可取。

和谐的弦

现在大多数物理学家都将希望寄托于一种全新的量子引力方法，这就是弦论，它为所有粒子以及它们之间的所有相互作用提供了一种统一的描述，也是我们当前所掌握的理论中最接近自然基本理论的一种。

弦论认为，电子或者夸克这样被视为基本粒子的点状粒子，事实上都是由弦构成的振动着的小圈，这些弦无限细，小圈的尺寸也与普朗克长度相当。而正因为普朗克长度如此之小，粒子看起来才像是一个个没有结构的点。

图15.1 一条直弦的几种振动模式

形成小圈的弦高度紧绷，其中的张力使得小环振动，这与小提琴或者钢琴中振动的琴弦类似。图15.1中就展示了几种直弦的振动模式，在这些对应不同音高的振动中，弦呈波浪形，其长度正好是半波长的整数倍，而且倍数越大，对应的音就越高。弦论中小圈（即闭合弦）的振动模式与之相似（见图15.2），但是在这里不同模式的振动对应于不同种类的粒子，而不是音高。粒子的各种性质，诸如质量、电荷量，以及对应于强、弱相互作用的荷载量等，都是由闭合弦精确的振动状态决定的。这样一来，我们就不必为每一种粒子都引入一个新的独立实体，而只需要一个研究对象，那就是弦。所有粒子都是由弦构成的。

图15.2 闭合弦的振动模式简图

光子、胶子、W粒子和Z粒子这些媒介粒子同样也是振动着的闭合弦，而粒子间的相互作用则可以被描述为闭合弦的断开与结合。最值得注意的是，弦的各种状态中必定包括引力子，也就是传递引力相互作用的粒子，那么将引力与其他相互作用相统一的难题在弦论中将不复存在，因为如果没有引力，该理论本身都无法被构建。

弦论同时还解决了引力与量子力学之间的矛盾。正如我们刚刚所讨论的，这一矛盾源自时空几何结构的量子涨落。如果粒子是数学意义上的点，那么粒子附近将会有疯狂的涨落，使得平滑的时空连续体变为剧烈运动的时空泡沫。而在弦论中，受制于普朗克长度，闭合弦的尺度会是有限小的。普朗克长度恰好也是量子涨落开始失控的距离尺度，但是闭合弦却不受这种亚普朗克涨落的影响，也就是说时空泡沫在开始制造麻烦之前就已经被驯服了，而我们也因此第一次拥有了一个一致的量子引力理论。

1970年，芝加哥大学的南部阳一郎、尼尔斯·玻尔研究所的霍尔格·尼尔森（Holger Nielsen）和叶史瓦大学的伦纳德·萨斯坎德共同提出了粒子可能是弦这一想法。弦论最初被认为是关于强相互作用的理论，但是很快，它就预测了一种无质量的玻色子的存在，而后者在强相互作用粒子中并不能找到对应。1974年，加州理工学院的约翰·施瓦茨（John Schwartz）和巴黎高等师范学校的若埃尔·舍克（Joel Scherk）认识到无质量玻色子具有引力子应有的所有性质，这一发现至关重要。施瓦茨与伦敦玛丽皇后学院的迈克尔·格林（Michael Green）合作，花了十年时间解决了一些微妙的数学问题，并最终证明了这个理论的一致