淺談最後和超弦理論

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update: 2025/12/14
更新日期: 2025/12/14
origin: 1994/01/01

謝尚賢報導

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。

(1) update: 2025/12/14