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转:M理论一瞥

 湛海蓝 2010-10-10

黑胚:M理论的卓越成就
  当其他类型的力不存在时,所有受引力作用的系统都会坍缩成黑洞。地球之所以没有被它自身的重量压垮,是因为构成它的物质很硬,这硬度来源于电磁力。同样,太阳之所以没有坍缩,也只是因为太阳内部的核反应产生了巨大的外向力。假如地球和太阳失去这些力,就会在短短的几分钟之内收缩,且越缩越快。随着收缩,引力会增加,收缩的速度也随之加快,从而将它们吞没在逐步上升的时空弯曲里,变成黑洞。从外部看黑洞,那里的时间好像停止了,不会看到进一步的变化。黑洞所代表的,就是受引力作用系统的最终平衡态,该态相当于最大的熵。尽管目前对一般的量子引力尚不明了,霍金(StephenHawking)却利用量子论,成功地对黑洞提出了一个熵的公式。这个事实,有时被叫做黑洞悖论。
  在廿多岁就解决规范场量子化问题的荷兰理论物理学家胡夫特(G.t'Hooft),曾向弦学者提出关于弦论为何没能解决黑洞问题的质询。当时人们并不明白,这究竟是诘难,还是鼓励?然而,在弦论演化成M理论之际,所有的疑问很快消散了。胡夫特这位物理感觉十分敏锐的天才,在山雨欲来之际听到了雷声,但他也没能预见到,来的是何等样一场风暴!
  在某些情形下,Dp胚可以解释成为黑洞,或者更恰当地说是黑胚,即是任何物质(包括光在内)都不能从中逃逸的客体。于是,开弦可以看成是有一部分隐藏在黑胚之中的闭弦。可以将黑洞看成是由7个紧致维的黑胚构成的,从而M理论将为解决黑洞悖论提供途径。霍金认为黑洞并不是完全黑的,它可以辐射出能量。黑洞有熵,熵是用量子态数目来衡量的一个系统的无序程度。在M理论之前,如何清点黑洞量子态数目,人们束手无策。斯特龙明格(AndrewStrominger)和瓦法(CumrunVafa)利用Dp胚方法,计算了黑胚中的量子态数目。他们发现,计算所得的熵与霍金预言的完全一致。这无疑是M理论取得的又一项卓越成就。
  10维弦论紧致化到4维的方式有成千上万种,不同方式产生出4维世界中不同的运行机制。于是,不信弦的人认为,这根本就没作预测。然而,在M理论中,黑胚有望解决这一难题。现已证明,当黑胚包绕着一个洞收缩时,黑胚的质量将会消失。这一性质将对时空本身产生绝妙的影响,它将改变经典拓扑学的法则,使得时空拓扑发生变化。一个带有若乾洞的时空,可以想象成一块沪上的早点——蜂糕。在黑胚作用下,它变成了另一块蜂糕,即变成了另一带有不同数目洞的时空。利用这一方法,可以把所有不同的时空联系起来。这样,对弦紧致问题的诘难,就容易解决了。M理论最终将依照某种极值原理,选择一个稳定的时空,弦就在这个时空中生存下来。接下来便是,振动着的弦将产生人类已知的粒子和力,也就是产生出人类所处的现实世界。

仍然是个未决问题

  尽管M理论已取得累累硕果,然而种种迹象表明,已经窥见的不过是些“雪泥鸿爪”而已,最深层的奥秘尚待揭示,什么是M理论的真面貌,仍然是一个未决问题。尽管M理论的成功,使弦论学家摆脱了昔日的困境,但他们必将以“往日崎岖还记否?路长人困蹇驴嘶。”来勉励自己3,希望在今后几年中发现M理论的真面目。
  美国学者苏什金(LeonardSusskind)等人,进行了一次新尝试,他们称M理论为矩阵理论(英语中矩阵一词,也是以M开头的)。试图给M理论下一个严格的定义。矩阵理论的基础是无穷多个0胚(也就是粒子),这些粒子的坐标(即时空位置)不再是通常的数,而是相互之间不能对易的矩阵。在矩阵理论中,时空本身成了一个模糊的概念,这一方法使物理学家大为振奋。施瓦茨呼吁大家关心这些研究,同时指出矩阵理论含有一个重要的未决问题:“当多个空间紧致维数出现时,在矩阵理论中用环面Tn紧致化将会遇到困难,或许会找到更好的紧致化方法,否则新的研究是必要的。”
  爱因斯坦说:“关于这个世界,最不可理解的是,这个世界是可以理解的。”今天,对于M理论,最不可理解的是,它居然已经把理解世界推进了一大步。


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