维尼齐亚诺模型：引力子的重大发现

1968年，意大利物理学家维尼齐亚诺精力充沛、风华正茂，正在专心致志地探究实验资料，总结强相互作用的各种性质。有一天，幸运来到维尼齐亚诺面前，他突然发现200年前欧拉写下的一个公式——欧拉-贝塔函数，用它来描述强相互作用的性质，最合适不过了！

这个公式是

至于为什么，无人知晓。两年后，南部一郎、李奥纳特·苏士侃与尼尔森才揭开了欧拉公式蕴藏的秘密。他们证明，如果用长度很短的振动的弦来代替点粒子，则可以用欧拉函数精确地描述强相互作用。

于是弦理论出现了，维尼齐亚诺先生提出关于强相互作用的双谐振模型。这个模型在超弦理论的发展历史上是第一个理论模型，尽管褒贬不一，评价各异，但是具有重要的历史意义。其主要内容如下。

（1）将组成原子核质子、中子的夸克以及所有基本粒子不再看作点粒子，而是看作一维的振动的弦。

（2）一维振动的弦具有各种不同的振动模式（频率和振幅），从而生成各种不同的粒子。

（3）一维弦如同具有弹性的可以伸缩的橡皮筋，可以将夸克紧紧地禁锢在质子、中子内，出现夸克禁闭现象。

（4）弦可以分裂和断开，也可以合并；但是弦具有最小长度，称为长度量子，与普朗克长度相当。

（5）弦有两种：开弦和闭弦。开弦有两个端钮，每个端钮各有一个夸克和同类反夸克，其运动轨迹是世界片（纤维丛），两个端钮可以合并而变成闭弦；闭弦的拓扑结构是园，没有端点，其运动轨迹象空心粉，闭弦可以断开而成开弦。

（6）弦的振动会产生无质量、自旋为2的高自旋粒子。(www.xing528.com)

与标准模型比较，维尼齐亚诺先生的双谐振模型是一个重大创新。创新点在于以下几方面。

（1）量子场理论中，构建高自旋粒子的合乎情理的量子理论是困难的，因为具有高自旋的粒子的树图有不良的高能行为。自旋为J的粒子的散射振幅具有形式

式中g 耦合常数，M 为粒子质量，s，t 为粒子散射通道。观察该式，对于J＜1，振幅A 收敛；对于J=1，振幅A 有一个潜在的可正则化的对数发散；对于J＞1，振幅A 有不可正则化的发散。发散表示振幅在J 较大时趋于无穷大。这在物理上是不可接受的。物理测量在任何情况下都不应该是无穷大。然而，在弦的费曼图中，不会出现无穷大。例如电磁相互作用，无穷大发生在电子释放和吸收光子的点接近之时；因为观察方式不同，弦是有大小的物体，释放、吸收光子的点不会出现在同一个点上。所以，不会出现无穷大。

（2）量子力学和引力都在自然规律中发挥作用，量子引力一直是理论物理学家努力的方向。双谐振模型理论对于解释强相互作用是失败的；失败之一，是它预言的具有各种自旋的无质量粒子在重子试验中一直没有出现。

（3）关于引力子，实验至今没有发现；但是，实验测定了普朗克质量和普朗克能量。如果能量达到普朗克能量标度，91.9561 10× 焦耳，引力子也许会发现。据报道，天文学家已经发现了引力波。

普朗克质量和普朗克能量都是普朗克单位。所谓普朗克单位，物理学家们认为是宇宙间不可再分的最小单位；包括普朗克时间、普朗克长度、普朗克质量等。

维尼齐亚诺先生的双谐振模型存在明显的缺陷。其一，双谐振模型对于强相互做的解释是失败的，因为它预言的高自旋的无质量粒子在重子试验中一直没有出现。其次，双谐振模型仅能够描述自旋为整数的玻色子，无法描述构成物质世界的自旋为半整数的费米子。第三，双谐振模型并非在通常的四维时空中有意义，其玻色子模型只有在26维中才有意义。

近百年来，物理学家试图统一引力与物质的尝试一天也没有停止过。早在1921年，Kaluza 就建议通过广义相对论将引力与电磁场统一起来，不是在四维而是在五维时空中。1926年，Klein 进一步发展了Kaluza的思想，设想五维广义相对论的基态不是五维闵氏空间，而是四维闵氏空间M4与圆周S1的积（M4×S1）。1938年，爱因斯坦和Bergmann 对此给出了明确的讨论。当时，绝大多数人排除了关于无质量标量的预期。直到1950年，由于Jordan、Brans、Dicke 以及其他人的工作，无质量标量终于被视为一个有趣的预期：应该通过实验检测，而不是在理论的地毯下掩盖矛盾。往往自以为是的先见之明害了我们。先入为主的见解不一定是正确的，必须经过严格的科学实验。历史的教训已经不止一次，人类不应重复历史的错误！