这根看不见的弦，可能隐藏了宇宙的终极奥秘

原创 羽华 世界顶尖科学家论坛 来自专辑独家专访

8月10日，国际理论物理中心（International Centre for Theoretical Physics，简称ICTP）宣布，将2020年狄拉克奖授予三位杰出物理学家——蒙彼利埃大学的安德烈·内沃（André Neveu）、佛罗里达大学的皮埃尔·拉蒙（Pierre Ramond）、以及罗马第一大学的米格尔·维拉宿（Miguel Virasoro），以表彰他们“对弦理论的创立和形式化表述所作的先驱性贡献，将新的玻色和费米对称性引入物理学”。

2020年狄拉克奖得主。图｜ICTP

弦理论被视为现今最有可能成为物理学大统一的理论；但由于缺少实验实证，弦理论也不断受到挑战和质疑。今日，世界顶尖科学家论坛专访复旦大学物理系研究员、剑桥大学理论物理系博士孔令欣，请她对弦理论做科普性的阐释。

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什么是弦理论？

“上世纪60年代，物理学家通过对撞机，发现了很多介子，他们也注意到介子的自旋和重量有一个非常简单的线性关系。大家就问，什么样的理论可以来解释这些观测结果。

“意大利物理学家加布里埃尔·维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）根据实验结果，‘猜’了一个数学方程。后来的科学家对维尼齐亚诺的方程做出了物理的解释，假设比粒子更小的基本单位并不是一个点，而是一根弦，好比小提琴的弦。计算它们的相互作用可以重构出维尼齐亚诺的数学公式。

“这些不同的弦有不同的震荡频率，粒子的重量和弦的震荡频率有关，粒子的自旋也跟弦的震荡模式有关，计算同时重构出自旋和质量的线性关系。弦理论就是这样诞生的。”孔令欣介绍说。

弦理论数学需要6个额外的维度。图｜Penn Today

弦可以被视为能量的微丝，它们以不同的模式振动。就像琴弦的不同振动模式产生不同的音符一样，弦的不同振动状态产生不同的基本粒子（通过赋予其质量、电荷等性质），如电子、中微子。

作为弦理论的开创者，维尼齐亚诺获得了2014年狄拉克奖。

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“开弦”、“闭弦”和“超弦”

维拉宿是维尼齐亚诺的合作者之一，之后进行了独立研究。受维尼齐亚诺“开弦”模型的启发，维拉宿发展了他自己的模型，后来被称为“闭弦”模型。打比方而言，开弦就像一段绳子，而闭弦则像环形的橡皮圈。

维尼齐亚诺和维拉宿的成果被称为玻色弦理论，也就是说，它只描述了一类叫作“玻色子”的粒子。

玻色子是自旋为整数（0，1，2，……，以普朗克常量为单位）的粒子，如光子、引力子、希格斯玻色子。还有一类粒子被称为费米子，是自旋为半整数（1/2，3/2，5/2，……，以普朗克常量为单位）的粒子，比如电子、质子、夸克。

玻色子如何与其他类别的亚原子粒子、强子和费米子配合。图｜维基百科

“内沃和拉蒙所做的贡献，就是把弦论扩展到了费米子，也就是超弦理论。这样弦理论就可以解释包括引力在内的所有基本粒子，成为物理的大统一理论。”孔令欣介绍说。

弦理论试图将描述引力的爱因斯坦广义相对论和描述物质基本组成的量子力学结合起来。弦理论在解决基础物理中的一些问题上发挥了十分重要的作用，并已应用于其他各种领域，如黑洞、早期宇宙、凝聚态物理，等等，而且促进了纯数学的重大发展。

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从最微观到最宏观的尺度验证弦理论

“当然，现在对弦理论的最大疑问，是它能否准确描述各种物理现象呢？现在仍然是一个问号。因为有各种理论来解释，弦理论是其中之一。我个人认为，哪怕弦理论本身不是终极理论，它也是一个很重要的桥梁。”孔令欣说。

弦理论是一个试图解释一切的假想的想法。图｜Live Science

由于弦的尺度实在太小，现有的工具无法直接观测，也很难通过实验得到验证，这也是对弦论的主要质疑。对此，孔令欣认为，可以从最微观和最宏观的尺度去验证。

“粒子对撞机是一个方向。通过理论计算的特定模型，给出对撞机实验结果的预言。建模跟实验结果吻合的话，就能验证弦理论。但是目前进展不大。”

“另外我们还可以从宇宙学的角度去寻找弦。宇宙大爆炸的极端环境，有可能遗留了一些关于弦的线索，我们通过天文观测去寻找这样的东西。”孔令欣介绍说。

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狄拉克奖简介

ICTP狄拉克奖为纪念20世纪最伟大的物理学家之一、1933年诺贝尔物理学奖得主保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）而设立，于1985年首次颁发。该奖项被视为理论和数学物理领域的最高荣誉，多位狄拉克奖获奖者后来获得了诺贝尔奖、菲尔兹奖和沃尔夫奖。

狄拉克奖章是ICTP在1985年为纪念英国物理学家狄拉克而设置的年度性奖项。图｜IOP

世界顶尖科学家协会会员、诺贝尔物理学得主大卫·格罗斯（David Gross）、弗朗克·维尔切克（Frank Wilczek）、邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）等，都曾获得狄拉克奖。

1. 2. 3. 编辑｜Kai

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