在宇宙中，弦理论这种“神奇”的理论能告诉我

近一个世纪以来，科学家已经知道，物质是由原子构成的，而原子又是由电子、质子和中子以多样的方式组合而成的。20世纪60年代，物理学家发现了物质更深一层的结构，质子和中子由古怪的粒子——夸克——构成。现在已经知道了6种夸克， 它们（成双或成三）的组合可以解释宇宙中所有质量较大的粒子——质子、中子——以及在实验中冒出来的许多其他另类粒子（例如胶子和玻色子）。

这是我们对宇宙中物质的基本认识，但粒子之间是如何相互作用的呢？从20世纪30年代至今，物理学家研究了描述宇宙中四种基本作用力——引力、电磁力、弱核力和强核力——的细致数学模型。我们可以把它们中的每一种都看成是作用于空间中的场。更有意思的是，这四种基本“力场”可以通过交换粒子来构建：光子传递了电磁力；8种不同的胶子传递了强核力，使得夸克被束缚在质子内部；3种中间矢量玻色子传递了弱核力，后者控制着放射性过程；一些物理学家相信，引力子传递了引力，但它们迄今还未被发现。

在这一标准模型中，科学家通过这些各式各样的详细数学理论将对物质和力的描述集为一体。当物理学家试图预言在他们昂贵的粒子对撞机中会发生什么的时候，它构成了计算的支柱。不管是设计新的技术，还是开展新的实验，乃至研究黑洞的特性，他们都会从久经考验的标准模型的数学方程开始。

标准模型漂亮而简单，但它看上去似乎并不完整。科学家可以把这些作用力中的两种——电磁力和弱核力——统一进一个数学理论，还可以在大统一理论下把强核力也纳入其中。然而，引力倔强地游离在它们之外，因此，物理学家需要用两种迥异的方式来描述大自然中四种力的作用。如果只用一种方式来描述岂不是更好？这正是对终极理论的探求，超弦理论是目前最有希望成功的理论。那么，物理学家为什么必须通过弦理论来修补标准模型呢？关于宇宙，弦理论能告诉我们些什么？

进入深处

在过去的70多年中，为了实现大统一，科学家已提出了许多理论方案，但这些理论中的大多数都存在严重的数学问题。例如，有时计算得到的概率会是负值或者超过100%。根据其中一个模型，计算发现存在超光速运动的粒子，科学家将其称为快子。 但是，从20世纪80年代初开始，有一个有趣的方案受到了众多物理学家的追捧。

根据标准模型，粒子都是点状的。也就是说，无论科学家怎么想办法探测一个粒子的内部结构，他们得到的都不过是一个更小的能量“点”，它呈现出这个粒子的所有特性：质量、电荷和自旋。这会引发严重的数学问题。想象一下，把一个电子的质量和能量挤压进一个越来越小的球体内，最终，它会变成空间中一个无穷小的点，此时，它的质量和能量密度则会变得无穷大。这个无穷大会使得任何涉及质量和能量密度的计算都变得不可行。因此，大约在30年前，物理学家提出了一个解决办法，用不会消失的其他构形来代替粒子的内部形状，例如闭合的能量环，即弦。

基本的想法是，每一个物质粒子（电子、夸克、中微子等）以及每一个传递相互作用的粒子（光子、胶子、中间矢量玻色子和引力子）其实都是某种微小的一维环。它可以是开放的，有两个端点，也可以是闭合的，构成一个环。当这个一维弦环随时间运动时，它会扫过一个二维的表面。它还可以分裂成两个不同的弦环，构成两个闭合的表面。这些表面被称为世界面。一根弦分裂成两根，则对应于一个粒子衰变成两个。把这个过程反过来，两根弦变成一根则对应于两个粒子的碰撞和并合。这些环也能向琴弦那样振动，其振动的精确方式决定了它所代表的基本粒子的确切特性。对应于大质量粒子的弦振动的频率较高，反之亦然。

那么这些弦看上去像什么呢？先问个问题，你最近一次碰到一维的东西是什么时候？其实我们从来就没有看到过这样的东西，更不要提它们是什么样子了，比如颜色、质量、大小，等等。我们试图描述的弦的每一个特性都植根于我们的三维经验。于是，一个基本的问题是，这样一个物理实体具有的特性是否超出了我们的经验？幸运的是，这在数学上根本不是问题。这也正是物理学家可以精确处理一维弦的原因。

文章来源：《控制理论与应用》 网址: http://www.kzllyyyzz.cn/zonghexinwen/2021/1031/967.html