Wednesday, 11 April 2007

淺談最後和超弦理論

本文作者:謝尚賢先生 150 億年前的大爆炸宇宙從而誕生,爆炸的一刻宇宙向外擴張,不到

一分鐘便漫延一百兆哩,雖然冷卻得極快,平均的溫度仍有十億度。

可能你會問,宇宙一定是要這樣子演化的嗎?可改變嗎?如果我們可

以回到創世的一刻,看到最初的粒子和作用力,也許就會了解宇宙的面

貌,甚至可以看出物理學家所謂的 "最後理論" (Final Theory),一

個極為簡單的方程式,這也可以解釋萬物。自然界充滿了複雜的事物,

萬物各不相同,但科學家喜歡在其中找出關連--複雜背後的單純,而你

愈是了解自然愈是覺得它單純,因此我認為能夠找出 "最後理論" ,因

為複雜化可以不斷延續,但簡化就一定有終點。物理學不斷將自然化繁

為簡,最後可以簡化到甚麼地步?就是簡到無可再簡。在二次大戰後,

科學家驚覺到簡化之夢逐漸破滅,從追求簡化的實驗中,卻發現內裡更

雜複的面貌。

高能質子同步穩相加速器的發源地--加州柏克來大學,擁有世上功率

最大的原子核分裂加速器(Atom Smasher),揭開了新科學紀元的序幕

。原子核分裂加速器以加速次原子粒子撞擊其他原子,而隨著更精確、

解像度更高的科技,撞擊實驗結果顯示,我們探測到更微細的世界,粒

子軌跡的照片,卻把科學家從簡化目的的出發點帶到揭露了一些更複雜

及新的基本粒子的地步,這些新發現的基本粒子和質子、中子、電子一

樣基本。原子彈之父 "奧本海默" 說笑地說:╔該年如果有那位科學家

沒有發現新的粒子,就該獲得諾貝爾物理獎了。╝

有數百種看似和質子一樣基本的粒子,顯然,如果基本有任何意義,

這些粒子內應有更基本的粒子。很多科學家很不喜歡此一日趨複雜的局

面。在 1964 年,科學家 "Murray Gell-Mann(蓋爾曼)" 公佈了三種

新的基本粒子,其中一種他稱之為 "Quarks(夸克)" ,和微中子一樣

是很細小和很難証實(在當時)的,夸克也許存在,但它們仍很詭異,

對於科學概念膚淺的人來說,它簡直是無法以大小來形容。而科學家更

以 "點" 形容它們。come on!什麼叫做 "點" ? "點"怎會有質量和電

荷?,它是個旋轉的球體,具有質量、電荷和轉速等,測量得出的屬性

,但它會在你眼前消失,消失成一點,只留下旋轉、電子和質子,這就

是點粒子。

藉著夸克,科學家又朝著基本粒子邁進一大步,構成萬物的基本粒子

,科學家除了尋找單一基本粒子,也在尋找支配萬物的單一作用力,這

是愛恩斯坦在最後二十五年尋覓的目標,有幾次他以為已找到了,但後

來他發覺自已的解答有重大瑕疵。愛恩斯坦研究統一場論時確認重力和

電磁力的存在,而強作用力和弱作用力就在後期。弱作用力是多種放射

線的成因;強作用力就是維繫原子核的力量,原子核內充滿了帶正電荷

的質子,如果沒有力量結合它們將互相飛散,所以強作用力使質子聚在

一起。但突然間,四種基本作用力被簡化為三種(弱作用力和電磁力是

屬於同一種作用力),改變了理論物理學的版圖。而為了証實這點,歐

盟用了一億五千萬元改良歐盟最大的粒子加速器,碰撞實驗造成的次元

子粒子碎片能証實弱作用力和電磁力是屬於同一種作用力,所以四種基

本作用力被簡化為三種了。

但尋找統一場的工作仍在進行,在八十年代,理論物理學家提出在物

質中心有微乎其微的震動的弦,弦理論是繼愛恩斯坦後物理學的最大發

現,它也許是最終的理論,足以解釋宇宙萬物。畢達哥拉斯的信徒相信

音樂是自然的語言,和諧的弦音也就是宇宙的和諧,他們認為到處充滿

了天體的樂聲,但可惜這種概念沒有什麼用,因為它無法解釋基本粒子

,而現今科學家相信如果有能看穿電子的顯微鏡,便能看到一條震動的

弦,弦音改變時它就會變成夸克、變成重力、變成光,也就是說人體是

由一大堆弦構成,支配弦的定律是彼此之間的和諧,也就是物理定律。

理論物理學家常將弦視為極少的封閉圈,就像是橡皮筋,一般的物質、

時空和能量,只是弦的震動,在物理學家的眼中,它們既美麗、優雅又

簡單,是他們夢寐以求的事物,但是只能以數學描述它們、、、Y,A,B,

C,D,、、、等式左邊是一個指數的超對稱定定義,表示超空間的拓樸只

能由多重玻子的拓樸求出,數學和理論物理學可說是超感覺器官。我們

無法變得和原子一樣小,也無法變得和中子一樣小,但靠著數學及思考

觀察微小的事物,我們便能明確地表達它。

弦理論最怪異的一點是它只適用於十維以上的空間,因此會有人說:

"這不合常理呀!",但宇宙豈是常理能解釋的呢,宇宙那會管常理是什

麼!所以物理學家就像囚犯,受限於數學,只能在數學和實驗範圍內活

動。但科學家正在探索四種基本作用力,而這正是這套理論的專長,科

學家也正在研究和解釋宇宙的理論,而弦理論現在似乎很難做些什麼,

但這套理論可以改變人類文明的走向,你的子孫將來或能掌握統一場理

論,但現在沒有人知道弦理論是否是 "最後理論(Final Theory)" ,

如果不是,物理學家將繼續探索。因為神秘是最美麗的體驗,它是所有

科學的起源。

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