扭曲的命運-科學人雜誌
科學人新聞

扭曲的命運

2010/07/01 馬瑟(George Musser)
彭若斯過去「扭曲」的想法,啟動了一項近來令人驚奇的革命。

1960年代末期,英國牛津大學知名的物理學家兼數學家彭若斯(Roger Penrose)提出一種全新的方式,來發展物理學的統一理論。他不再去解釋粒子如何移動,也不再解釋粒子如何在時空架構中交互作用。他認為,空間和時間本身是次要的結構,是從宇宙更深層的實相中浮現。不過,他這個「扭子理論」(twistor theory)並未受到大眾的理解,就連支持者也在概念上遭遇一些困境。這個理論的命運,最後就跟許多嘗試提出統一理論的方法一樣,胎死腹中。


弦論是目前統一理論中的領導者,2003年10月,彭若斯途經美國普林斯頓高等研究院,順道拜訪了當今最資深的弦論學家維頓(Edward Witten)。彭若斯原本預期維頓會訓他一頓(因為他批評弦論不過是一時的流行),然而彭若斯驚訝地發現,維頓想跟他談論的,卻是他那早夭的理論。


幾個月後,維頓發表了一篇97頁的重量級論文,把扭子理論和弦論結合在一起。此舉不但讓扭子理論起死回生,就連對弦論最嚴厲的批評者也大感驚訝。過去幾年來,弦論學者一直在維頓建立的基礎上前進,並且重新思考空間和時間的本質。他們發展出一套獨門的計算方法,能輕易解決一般粒子物理學中最困難的問題。剛從哈佛大學轉任到普林斯頓高等研究院的弦論學家阿卡尼–哈米德(Nima Arkani-Hamed)一頭栽進這門新興領域,他表示:「我這輩子從未對物理感到如此興奮。這個領域在全球約15人日以繼夜地努力下,正迅速發展。」


在維頓尚未整合之時,扭子學者以及弦論學者可說是各自為政、各說各話。彭若斯等人宣稱他們是在研究愛因斯坦的廣義相對論,弦論學者則認為自己研究的是粒子物理。牛津大學的梅森(Lionel Mason)表示,他1987年與彭若斯同時造訪美國雪城大學時,曾在一個弦論的演講上吵翻了。梅森事後認為,這件事其實讓他們了解到彼此缺少了什麼,「我們參加的並非粒子物理的研討會。我們其實都是相對論者。」


彭若斯原本的想法,是重新思考量子理論如何應用到時空架構。傳統想法中,時空幾何會在量子的尺度上漲落,進而影響到事件之間的關聯。但這麼一來,事件原本的因果關係便會失效,因而製造出時空旅行之類的弔詭情節。而在扭子理論中,影響事件發生的是因果律而非時空漲落(這也是「扭子」一名的由來:在該理論中,事件的因果關係看起來像是圍繞著一個旋轉粒子,如22頁圖所示),會漲落的是事件發生的位置和時間。可惜的是,扭子學者無法把這個想法說清楚,這要等弦論學者的補充:事件發生的位置和時間的模糊性,不多不少正是弦的活動。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第101期7月號】


# 關鍵字:科學人新聞物理扭子弦論
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