粒子物理与弦理论 | 周思益、莫宗霖

我们在手机、电脑上看图片，有时为了看得更清楚，会把图片放大。随着图片越放越大，它会逐渐变得模糊起来。当你把图片放得很大很大，会发现一个个模糊的小格子。我们所看到的图片，就是由很多这样的小格子组成的，只不过因为它们很小，我们很少注意到它们。有趣的是，我们身边的几乎所有事物，桌子、椅子、书、花朵、树木、石头等等等等，包括我们自己，竟然也是由一个个小东西组成的。我们把这些小东西称为原子。原子比照片上的小格子还要小得多得多，所以就算用放大镜，甚至是显微镜，我们还是看不到它们。因此在日常生活中，它们毫无“存在感”。以被称为“生命之源”的水为例，它由水分子组成，而水分子又由两个氢原子和一个氧原子组成。一杯水里大约有一亿亿亿个水分子，我们几口就能把它们全喝到肚子里。现在体会到它们有多小了吧！

Fig. 1 水分子 from https://www.elgalabwater.com/sites/default/files/inline-images/Unusual-Water-Molecule-400.jpg

原子虽然已经很小很小，但它们是由比它们更小的其他东西组成的。具体来说，原子有一个带正电荷的核心，称为原子核，其中聚集了原子绝大部分的质量。核外有数个带负电荷的电子，围绕着原子核运动。我们在日常生活中用的电，正是由大量的电子运动产生的。科学家们“打破沙锅问到底”，发现原子核里有带正电的质子和不带电的中子，质子和中子又由更小的夸克组成。科学家把上面所说的这些“小东西”们统称为微观粒子，研究这些微观粒子的学问叫做粒子物理学。除了上面介绍的这些，粒子物理学们还发现了很多别的微观粒子，在这里就不一一介绍了。因为世间万物都由这些微观粒子组成，所以想要更好地理解世界、理解大自然，把微观粒子研究清楚是必须的。同时，对它们的研究也让人类获得了核能发电、重离子治疗癌症等非常有用的技术，并且随着研究的深入，将来一定会发展出更先进的技术。

Fig. 2 原子内部结构 from https://www.britannica.com/summary/atom

Fig. 3 质子内部结构 from https://physicsworld.com/a/proton-contains-more-anti-down-quarks-than-anti-up/

在粒子物理学中，主流的观点认为粒子是构成物质世界的最基本的概念。但在理论物理学中，有另一种观点认为粒子并非最本质的，它们都是由弦的振动产生的。这便是弦理论。对乐器有所了解的同学可能会知道，乐器可以根据发声原理分类。其中小提琴、吉他等，依靠弦的振动发出声音的乐器，称为弦鸣乐器。在演奏过程中，演奏者用手指按压弦的不同位置，改变它的振动方式，使其发出种种不同的声音，编织成一个个美妙的乐章。而在弦理论中，不同的粒子就像这些声音一样，来自弦的各种振动模式。这些振动模式相互交融，编织成了我们美丽的世界。

弦理论最吸引人的地方在于，它有希望成为描述万物的理论。在现代物理学中，上面所说的微观粒子被大名鼎鼎的量子力学所描述，而地球、太阳、星星之间的相互吸引则被同样大名鼎鼎的广义相对论（引力理论）所描述。让物理学家们头疼的是，这两位受人尊敬的“大人物”竟不能和睦相处！在各自的“管辖范围”内，它们都取得了极大的成功，做出了很多影响深远的贡献；但是一旦到了诸如黑洞、极早期宇宙等“交界区域”，它们总是意见不一。而弦理论有希望解决它们之间的矛盾，成为描述从“宇宙之大”到“粒子之微”的万物理论！在弦理论中，弦分为开弦和闭弦。开弦有两个端点，像一根橡皮筋绳；而闭弦首尾相接，像一个橡皮筋圈。其中，开弦对应目前量子力学的“管辖范围”，而闭弦对应目前广义相对论的“管辖范围”。

Fig. 4 开弦与闭弦 from https://sayostudio.com/portfolio/superstring-theory/

虽然弦理论非常美妙，但是目前人们还没有办法直接验证它，而是在大型强子对撞机的实验数据以及来自宇宙的信号中寻找蛛丝马迹，获得间接的证据。但愿随着科学技术的不断发展，人类能够发现大自然的终极奥秘！