发现弦理论的超炫漫话

在科学发现的历史上，只有普朗克是幸运的。1900年，普朗克发现的黑体辐射公式与实验结果完全一致，并且在高频段与维恩的公式相吻合，在低频段可以过渡到瑞利-金斯公式。这么漂亮的公式，我们不禁要写下来，供大家一起欣赏：

欲理解这个式子，请看《普通物理》。

而弦理论的发现就没有这样的好运气了。弦理论的出现经历了一个复杂而曲折的过程。在1968年之前的一段时间内，物理学家为了研究强相互作用的机制进行了大量实验，获得了原子核内部关于质子与质子、质子与中子，以及构成核子的夸克之间的大量实验资料，发现强子之间的相互作用力具有“渐进自由”的特点。所谓“渐进自由”，是说强子之间的距离越近，作用力越小，而距离越远，作用力越大。比如说，两个质子都带正电荷，它们互相排斥；按照库仑定律，距离越近，排斥力应该越大。许多物理学家苦思冥想，始终不得其解。这时，维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）出现了。来者，何许人也？这位先生于1942年9月出生于意大利的佛罗伦萨城，大学毕业后，长期在欧洲核子研究中心做研究员，曾经在日内瓦欧洲加速器实验室工作。搞物理研究的，一般也酷爱数学。他也在为搞清实验观测到的强相互作用力的各种性质而烦恼。这时的他，我们可以借用一首古词描述他当时的心情，即《一剪梅·红藕香残玉簟秋》的下半阕：

花自飘零水自流。

一种相思，

两处闲愁。

此情无计可消除，

才下眉头，

却上心头。(www.xing528.com)

某一天，似乎历经200年的时空穿越，冥冥之中，他偶然在一本陈旧的数学教科书中发现200年前数学王子欧拉写下的一个公式：欧拉-贝塔函数

（2）式中的Γ（u）是伽马函数。（2）式通过A（s，t）=B（-α（s），-α（t））将维尼齐亚诺振幅A（s，t）与欧拉-贝塔函数联系起来，可以比较精准地描述强相互作用“渐进自由”的特点。当时没有人知道为什么？直到1970年，李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）揭示了藏在欧拉公式背后的秘密。他证明，如果用小小一维的振动弦来模拟基本粒子，那么核子之间的相互作用就能精确地用欧拉函数来描写。就是说，基本粒子并不是“点”，如图2.1（a）和2.1（b）所示，而是类似橡皮筋那样柔韧而又可以扭曲抖动的弹性线段——我们称其为弦。

正是，“有心栽花花不成，无心插柳柳成荫”。尽管维尼齐亚诺没有解释为何欧拉-贝塔函数能够描述强相互作用，学术界仍然公认维尼齐亚诺是弦理论的发现者。有些读者也许抱怨：老天太不公正了！为什么让他发现了欧拉-贝塔函数而不是我呢？我可以用一句话来疏解你那不平衡的心结：科学的发现存在着机遇，而机遇就像一个羞涩的少女，她总是钟情于那些不畏险阻、勇于攀登的人！

图2.2 是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，位于瑞士和法国交界处地下100 米深处的隧道内，隧道全长27 千米，隧道内维持低温，以保证粒子被加速到接近光速。接近光速的强子相互对撞，能够产生许多新粒子，从而探测强子的奥秘。

图2.2　欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，WWW.nipic.com

全世界80 多个国家的7000 多位科学家参与建造，来自美国、中国等1000 多名科学家在这里工作。曾经在2012年发现上帝粒子——希格斯玻色子。人们期待这台仪器将来某一天能够证实维尼齐亚诺先生的发现。