你知道超弦是怎样被制造出来的吗?
2009-06-08 13:38:09
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作者 苟文俭

超弦是超弦理论描述的粒子构成基元,它存在于约10-35m与10-44s的时空中。

在形式化数学表述中:超弦理论可以使规范理论的标准模型表述的不同力的耦合常数汇聚到一起,解决了著名的等级问题;用超对称伙伴粒子贡献还能够消除量子场规范对称理论中大量的发散项,具有十分优越的重正化性质;在有了简单的约定后就不仅与量子场理论自洽,也还可以描述引力,形成了包揽引力的所谓超对称标准模型;也用超弦这一种基元,取代了标准模型的几十种基元,实现了所有粒子的终极统一。因此,对现代物理的统一性理论来说,在形式化数学表述方面,与规范理论的标准模型相比,超弦理论又向前迈进了一大步。

因此,尽管超弦理论仍然有诸多质疑,但在没有更好方案可选择的条件下,它在当代物理理论主流探索中的地位却是节节攀升,一些理论家甚至还认为:超弦理论将是21世纪物理学主流之所在,末来之所系。

(一)

物理学有实验科学的本质特征,理论的逻辑前提或描述依据,都应当来自在经验领域获得的经验真理。超弦就是超弦理论的逻辑前提或描述依据,它是粒子的构成基元,因此就只应当是来自在产生粒子的经验领域获得的经验真理。

超弦理论真的是21世纪物理学主流之所在、末来之所系吗?为了回答该问题,我们只需要看一看理论家们认识到的超弦,是否依据于产生粒子的经验领域的经验真理。

(二)

1967年,粒子物理学中,针对共振粒子的雷吉现象,松田等理论家们提出了能够较好解释该现象的二重共振模型;1968年,年轻的理论物理学家齐亚诺、在寻找描述强作用力的数学表示方法时,在一本数学书里找到了有200年之久的欧拉函数,他使用了该数学表示求解强作用力,就明显使强作用具有了二重共振模型的性质。后由李奥纳特·苏士侃在研究中发现,齐亚诺使用的公式可以理解为一小段类似橡皮筋那样的有弹性的“线段”,在引入了量子场理论后,理论家们便提出了夸克的弦结构,即认为在组成粒子的一对夸克之间,是用某种有弹性的弦连结在一起的。

为了进一步发展可以统一描述强、弱、电作用的标准模型,韦斯等理论家们就又设计了把费米子与玻色子都放在同一个多重态的数学方案,实现了在费米子与玻色子之间进行对称变换所谓“超对称”,后来由施瓦兹等人再把这种超对称引入弦的研究,根据理论形式化表述的需要,发现了超对称应当存在于10维时空,这也就是我们常说的超对称弦,简称是超弦,并于1984年构建出了10维超弦理论。后来由于对五种超弦理论对偶性的研究,又认为超弦应存在于11维时空,以此于1995年又设计了统一五种超弦理论的M理论。

那么,怎样确定超弦的时空域呢?理论家们发现:若用牛顿万有引力恒量G、普朗克作用量子 、真空中光速c等纯粹的自然常数,使用(c /G)1/2这样的计算,就得到了一个质量取值(约1019Gev),称是普朗克质量,再使用量子力学测不准原理,就又得到了特定的空间长度量约10-35m及时间量约10-44s;一般也称这样的时空量构成的是普朗克时空;由于这完全来自纯粹的自然常数,理论家就认定它一定与自然界本质有关,因此被认为这就应当是超弦存在的时空尺度。

为了得到有用的东西,并与标准模型自洽,理论家们还对超弦做了如下约定:

1、存在于10维或11维时空中,其中有6维或7维空间是卷缩的;

2、这些弦既可以是做周期性运动的封闭弦,又可以是狄利赫曼式或纽曼式的开放弦;不同的粒子类型相应于这种弦的不同振动或转动。

纽曼式开放弦的端点可自由运动,但不允许有动量向边界外转移;狄利赫式开放弦中,弦的端点只允许固定在某种被称是D-膜或Dp-膜的拓扑流形上运动;其中p为整数,是这种拓扑流形的空间维数,如开放弦两端就可以固定在D2-膜上等等。

这样,根据超弦振动或转动的对称变换,按照满足弱耦合下微扰理论可计算的要求,就构建出了众多超弦理论,其中与量子场理论自洽的主要超弦理论是五种,被认为最有效的是所谓杂化超弦理论。

(三)

上述事实充分说明,超弦理论的超弦完全是弦理论家们、为了满足理论形式化数学表述而由人工制造出来的,根本就不是依据于产生粒子的经验领域的经验真理。也就是说,由于超弦是人为设计的,它因为与物理学是实验科学的本质特征相悖而根本不可信,而且它作为超弦理论的逻辑前提或描述依据,它依据的理论原理和数学分析,也都远离了粒子产生的经验领域;对此仅举如下三个方面:

1、“超对称”要求每一个费米子或玻色子都各自有一个“伙伴粒子”,但现实中又根本就没有这样的“伙伴粒子”,尽管理论也有自园其说的解释,但这样的“超对称”对产生粒子的经验领域,又有什么实际意义呢?

2、在对普朗克质量的计算中,引力恒量G是在完全不满足量子论的条件下使用的,把它与普朗克作用量子 及真空中光速c组合在一起,计算出使用量子论的量子化质量,相对于产生粒子的经验领域,这样的计算还有实际意义吗?

3、测不准原理是运动粒子物质波的存在特征,而普朗克质量并不是真实粒子质量,因此对普朗克质量使用测不准原理毫无根据;测不准原理适用于运动粒子的普通时空,而普朗克时空却是多维卷缩、且测量也完全终止,显然这种使用测不准原理的逻辑过程完全不能成立的。因此,使用测不准原理获得超弦的普朗克时空,也远离了粒子现实的经验领域。

分析超弦理论的优势,它可以解决的问题,主要都是现代物理理论形式化表述中遇到的问题,这些都只是为了满足数学演绎的需要设定的,并不是粒子领域或自然界自身形成的问题,虽然它用超弦取代了标准模型的几十种基元,实现了所有粒子或大自然的终极统一,但它预言的低能粒子就至少有数万种之多,还可以无限制的增多,而且在实验中一个也没有找到。在粒子的现实经验领域,超弦理论又有根本就不存在的结果。

正是由于超弦是人工制造的,使超弦理论在演绎逻辑的合理性、描述的有效性、实验的可检验性,以及与粒子经验事实相符等各个方面,就都不是有效的。因此,我们有充分理由认为:超弦理论并不是21世纪物理学主流之所在、末来之所系;现代物理理论探索中,超弦理论并不是我们的正确选择。

完成于2009-6-8

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