破解世界上最复杂对称体

破解世界上最复杂的对称体

一个百余年来令科学家倍感困惑的难题

加勒特·里斯酷爱冲浪，在一些人眼中，他就是个不学无术的浪荡公子，毕业后不留校任教不说，反而整日沉溺于冲浪。对此，他辩解称：“这是地球上最有趣的事情了。”八年前，里斯大学毕业，马上就去了夏威夷毛伊岛——冲浪者的天堂。后来，里斯在塔霍湖安了家。塔霍湖位于加州和内华达州在内华达山脉的交汇处，同毛伊岛一样景色优美，只不过峰顶不适合冲浪，相反，那里白雪皑皑，是滑雪游玩的天堂，按照里斯的话说，滑雪“屈服于重力，但不藐视重力的存在”。

超弦理论

里斯并非只是游戏人生，寻找刺激的那类人，他有着更高的人生目标：沉溺于冲浪的真正原因是为了探索宇宙的本质。里斯并没有供职于某所高校，与研究机构也毫无瓜葛，近十年来他试图解答一个令爱因斯坦生前始终无法找到答案的物理难题。这位39岁的物理学家宣布，他发现了这一难题的答案，此言一出，整个科学界都为之震惊。他以最为平实的语言描述了这个多少物理学家追逐的答案——有关万物的异常简单的理论。当然，这个理论可不像里斯所讲的那般简单，它是围绕有史以来研究的最深奥对称结构之一产生的，称为“E8”的248维对称体。目前，世界顶尖数学家宣称他们解开了这个几何实体的秘密，而破解这个难题所用的信息是人类基因组所含信息的60倍。这一理论是在19世纪提出的，从此便令科学家们充满好奇，他们长期就怀疑它的对称特性可能与创造物的潜在形状存在着密切联系。当里斯第一次遇到E8难题时，他在其结构中看到了有关宇宙理论的数学想法。所以，他开始“琢磨如何破解”这道难题。当他利用其形状去寻找宇宙中所有已知基本粒子和力的彼此关联时，这些片断似乎像坚锯一样组合起来。他意识到这可能是具有深远意义的发现。如果里斯的推断正确，E8难题的妙处可能是结合宇宙所有基本力和粒子的关键所在。也许在科学史上，是科学家首次能解释宇宙独特的进化模式的原因。里斯说：“它是一幅美丽、更大的图画，我们都是其中的一部分，一想到这，我便会激动万分。”难道里斯真的破解了这道曾令历史上众多顶尖科学家一筹莫展的物理难题吗？尽管科学家对这一理论心存怀疑，但仍旧对里斯的努力给予尊重。加拿大圆周理论物理研究所创始人李·斯莫林对里斯充满了溢美之词：“这是我这么多年以来看过的最引人注目的统一模式之一。”剑桥大学数学教授马库斯·萨乌托伊也将里斯的研究发现称为是万物理论的成功尝试，可能会支持大自然的部分基本结构。不过，有些科学家则对此提出了批评，一位物理学家说里斯是“怪人”，他的想法简直是“胡扯”。但是，大多数人认为，这一未得到证明的想法存在揭示宇宙真面目的可能性。寻找支持万物的简单理论是数百年来物理学研究的终极目标。随着物理学家一步步揭示了说明自然界不同领域如何运作的规律，许多一流科学家相信宇宙的运转方式像时钟一样。他们坚持认为，科学最终能破解整个宇宙运转机制，能够准确地说明宇宙中的一切事物。尽管这种推理因量子力学和相对论的发现而遭受空前质疑，但科学家的探寻并没有停止。相对论的发现者爱因斯坦后半生曾试图破解这一称为“统一场理论”的物理学难题。尽管爱因斯坦四次宣称获得了重大突破，但最终还是一无所获。不少物理学家的目标就是将现代物理学的两大支柱——量子力学和相对论——融会贯通，变成一种理论，用于说明宇宙所有四种力——重力、电磁以及强核力和弱核力——拥有一种来源。近年来，基础物理学方法(即超弦理论)的支持者直面挑战，提出了更为复杂的数学公式——其中一些需要三种空间和一种时间之外的结构，试图破解这一难题。

超弦理论示意图(www.xing528.com)

超弦理论并没给里斯留下深刻印象。对于一个由数学之妙处所驱动好奇心的科学家来说，这种理论太过笨拙，毫无吸引人之处，所以，在获得博士学位之后，他无所留恋地离开了大学，自由地从事物理学研究。里斯从小就喜爱物理，经常同物理老师就某个问题展开争论，大学时的学习成绩十分优异。离开大学，他不得不凭借自身力量破解宇宙的运转之谜。里斯意识到，对“万物理论”提出质疑无异于“学术自杀”。他说：“这个领域充斥着各种不切实际、疯狂的想法。”里斯的推理是否正确，相信不久即将水落石出。在道格拉斯·亚当斯《银河系漫游指南》一书中，超级计算机“深思”耗时7年半之久才计算出了有关生命、宇宙和万物的答案。位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞器预计不久将启用，大型粒子加速器实验将可检验里斯理论正确与否，揭示里斯理论所预测的新基本粒子是否存在这一观点。这次实验的重要性由此可见一斑。

超弦理论图示

如果里斯的理论正确，他将由此成为世界上破解万物几何形状的第一人。里斯说：“E8难题既肤浅又深奥，这就是它的妙处所在，如果这是我们宇宙核心的几何结构，我想很多人将为之赞叹。”如果自己的理论错了呢？里斯对此倒是十分坦然：“这是一次成功几率很小的尝试。如果这项理论正确，但还是无法破解E8难题，我会继续琢磨，另辟蹊径。与大自然争论毫无用处。”里斯说：“无论如何，过于沉溺于某种理论显然是不好的做法。我不会虚度年华，一定要让余生足够美好，即便我所从事的物理研究最终并不成功，但我的生活一定会很美好。只有想法没行动才是虚度人生。我不会放弃对物理学的追求，同时也不会舍弃对冲浪的爱好。”

统一场理论

统一场理论就是物理学中的强力、弱力、万有引力、电磁力四力的统一。从爱因斯坦晚年，全世界的科学家就在群雄逐鹿已久的理论物理学理论。实际上，统一场理论不仅是在数学理论上的统一，在理论物理学上的统一，更重要的是还在物质结构和物质组成上的统一。统一场理论在物理学上的统一，意味着从正负电子，到基本粒子，再到中子、质子、原子、分子。从各粒子自旋、力矩、磁矩、角动量、宇称、能量守恒、动量守恒都能统一在一起了。统一场理论在物质结构和组成上的统一，更是说明物质首先是由电和磁组成的，电和磁组成了电磁波即各种光子，电和磁组成了正电子和负电子，再由正、负电子组成基本粒子，正、负电子组成了中子和质子，再组成原子核与核外的电子共同组成原子和分子，它们再组成大千世界。