20世紀60年代,物理學家們已經發現了他們認為是物質的基本成分(質子、中子和電子)。隨後他們完成了將量子力學和狹義相對論與量子電動力學(QED)統一起來的壯舉,QED是對電磁力的完全量子描述,主要研究電磁場與帶電粒子相互作用的基本過程,具體包括電磁相互作用的量子性質(即光子的發射和吸收)、帶電粒子的產生和湮沒、帶電粒子間的散射、帶電粒子與光子間的散射等等。
但後來,科學家們不滿足於此,開始研發非常強大的粒子對撞機,突然間,他們開始對這些發現產生了迷茫。在這些儀器中,物理學家發現了一堆分裂的質子和中子,表明此前發現的這些粒子根本不是基本粒子。更糟的是,對撞機開始產生各種新的粒子介子,共振,等等。這一切都讓科學家懷疑統治它們的是一種新的自然力量,一種強大的力量。科學家們開始不知所措了,而這時候弦理論的提出給科學家們起到了指引性的作用,就像是大海中的一盞明燈,科學家們又出現了新的希望。
弦理論
弦理論是一種假設的想法,聲稱是一種關於一切的理論,能夠解釋所有現實的基本微觀方面,從自然的力量到所有物質的構建塊。這是一個強大的想法,但是沒有人能完成證實,更沒有人經過測試,但它已經持續了幾十年。早期弦理論是用於解出強相互作用力的作用模式,強相互作用力是作用於強子之間的力,是所知的四種宇宙間基本作用力中最強的。然而通過研究人們發現了幾乎所有的最基本粒子,包含正反夸克,正反電子,正反中微子等等,以及四種基本作用力“粒子”,都是由一小段的不停抖動的能量絃線所構成,而各種粒子彼此之間的差異只是這絃線抖動的方式和形狀的不同而已。
但是弦理論的出現為科學家解釋了許多未能解釋的現象,這些弦似乎是強力的基本組成部分,它們的量子力學振動決定了它們在微觀世界中的屬性——換句話說,它們的振動讓它們看起來和行動起來都像是微小的粒子。
重子弦理論的消亡最後,這個早期版本的弦理論,被稱為重子弦理論,因為它試圖解釋的粒子種類,並沒有達到預期的效果。這是極其困難的工作,使預測幾乎不可能。它還要求存在速度超過光速的粒子,即速子。這是早期弦理論的一個主要問題,因為速子不存在,如果它們存在,就會公然違反非常成功的狹義相對論。
最終,重子弦理論的消亡有兩個原因。首先,它做出了與實驗不符的預測。這是一個科學上的禁忌。第二,強作用力的另一種理論,它包括一種叫做夸克的假設粒子和一種叫做膠子的力載體,能夠被摺疊到量子框架中併成功地做出預測。這個新的理論,被稱為量子色動力學,或QCD,今天仍然是我們關於強核力的理論。它是一種強相互作用的規範理論,它描述組成強作用粒子(強子)的夸克和與色量子數相聯絡的規範場的相互作用,可以統一地描述強子的結構和它們之間的強相互作用,被認為是有希望的強作用基本理論。
至於弦理論,在20世紀70年代,一旦理論學家們意識到它可以描述比強力更多的東西,並且在他們找到一種方法來擺脫理論中的速子預測之後,它再次引起了人們的注意。這個理論仍然需要額外的維度,但是物理學家能夠把這個數字降低到一個聽起來更合理的10維。當我們意識到這些維度可能很小,並且蜷縮在我們可以直接觀察到的尺度之下時,弦理論似乎也就沒有那麼古怪了。
說實話,弦理論挑戰了傳統的物理學,擺在弦理論研究面前的,是一幅廣闊的前景和一條艱難的道路,這是一條熱鬧又孤獨的旅程,它所涉及的問題對對我們完全是一片未知,在證實它和質疑它的同時,我們都能感受到其中的魅力,這或許是它亙古流傳的祕密吧!