新希望出現在1968年,但卻是由一個極為偶然的線索開始的:它本來根本和引力毫無關係。那一年,的意大利物理學家維尼基亞諾(Gabriel Veneziano)隨手翻閱一本數學書,在上麵找到了一個叫做“歐拉β函數”的東西。維尼基亞諾順手把它運用到所謂“雷吉軌跡”(Regge trajectory)的問題上麵,作了一些計算,結果驚訝地發現,這個歐拉早於1771年就出於純數學原因而研究過的函數,它竟然能夠很好地描述核子中許多強相對作用力的效應!
維尼基亞諾沒有預見到後來發生的變故,他也並不知道他打開的是怎樣一扇大門,事實上,他很有可能無意中做了一件使我們超越了時代的事情。威頓(Edward Witten)後來常常說,超弦本來是屬於21世紀的科學,我們得以在20世紀就發明並研究它,其實是曆史上非常幸運的偶然。
維尼基亞諾模型不久後被3個人幾乎同時注意到,他們是芝加哥大學的南部陽一郎,耶希華大學(Yeshiva Univ)的薩斯金(Leonard Susskind)和玻爾研究所的尼爾森(Holger Nieln)。三人分別證明了,這個模型在描述粒子的時候,它等效於描述一根一維的“弦”!這可是非常稀奇的結果,在量子場論中,任何基本粒子向來被看成一個沒有長度也沒有寬度的小點,怎麼會變成了一根弦呢?
雖然這個結果出人意料,但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然與當時正在那裏訪問的法國物理學家謝爾克(Joel Scherk)合作,研究了這個理論的一些性質。他們把這種弦當作束縛誇克的紐帶,也就是說,誇克是綁在弦的兩端的,這使得它們永遠也不能單獨從核中被分割出來。這聽上去不錯,但是他們計算到最後發現了一些古怪的東西。比如說,理論要求一個自旋為2的零質量粒子,但這個粒子卻在核子家譜中找不到位置(你可以想象一下,如果某位化學家找到了一種無法安插進周期表裏的元素,他將會如何抓狂?)。還有,理論還預言了一種比光速還要快的粒子,也即所謂的“快子”(ta)。大家可能會首先想到這違反相對論,但嚴格地說,在相對論中快子可以存在,隻要它的速度永遠不降到光速以下!真正的麻煩在於,如果這種快子被引入量子場論,那麼真空就不再是場的最低能量態了,也就是說,連真空也會變得不穩定,它必將衰變成別的東西!這顯然是胡說八道。
更令人無法理解的是,如果弦論想要自圓其說,它就必須要求我們的時空是26維的!平常的時空我們都容易理解:它有3維空間,外加1維時間,那多出來的22維又是幹什麼的?這種引入多維空間的理論以前也曾經出現過,如果大家還記得在我們的史話中曾經小小地出過一次場的,玻爾在哥本哈根的助手克萊恩(Oskar Klein),也許會想起他曾經把“第五維”的思想引入薛定諤方程。克萊恩從量子的角度出發,而在他之前,愛因斯坦的忠實追隨者,德國數學家卡魯紮(Theodor Kaluza)從相對論的角度也作出了同樣的嚐試。後來人們把這種理論統稱為卡魯紮-克萊恩理論(Kaluza-Klein Theory,或KK理論)。但這些理論最終都胎死腹中。的確很難想象,如何才能讓大眾相信,我們其實生活在一個超過4維的空間中呢?
最後,量子色動力學(QCD)的興起使得弦論失去了最後一點吸引力。正如我們在前麵所述,QCD成功地攻占了強相互作用力,並占山為王,得到了大多數物理學家的認同。在這樣的內外交困中,最初的弦論很快就眾叛親離,被冷落到了角落中去。
在弦論最慘淡的日子裏,隻有施瓦茨和謝爾克兩個人堅持不懈地沿著這條道路前進。1971年,施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作,把原來需要26維的弦論簡化為隻需要10維。這裏麵初步引入了所謂“超對稱”的思想,每個玻色子都對應於一個相應的費米子 。與超對稱的聯盟使得弦論獲得了前所未有的力量,使它可以同時處理費米子,更重要的是,這使得理論中的一些難題(如快子)消失了,它在引力方麵的光明前景也逐漸顯現出來。可惜的是,在弦論剛看到一線曙光的時候,謝爾克出師未捷身先死,他患有嚴重的糖尿病,於1980年不幸去世。施瓦茨不得不轉向倫敦瑪麗皇後學院的邁克爾·格林(Michael Green),兩人最終完成了超對稱和弦論的結合。他們驚訝地發現,這個理論一下子猶如脫胎換骨,完成了一次強大的升級。現在,老的“弦論”已經死去了,新生的是威力無比的“超弦”理論,這個“超”的新頭銜,是“超對稱”冊封給它的無上榮耀。
當把他們的模型用於引力的時候,施瓦茨和格林狂喜得能聽見自己的心跳聲。老的弦論所預言的那個自旋2質量0的粒子雖然在強子中找不到位置,但它卻符合相對論!事實上,它就是傳說中的“引力子”!在與超對稱同盟後,新生的超弦活生生地吞並了另一支很有前途的軍隊,即所謂的“超引力理論”。現在,謝天謝地,在計算引力的時候,無窮大不再出現了!計算結果有限而且有意義!引力的國防軍整天警惕地防衛粒子的進攻,但當我們不再把粒子當作一個點,而是看成一條弦的時候,我們就得以瞞天過海,暗渡陳倉,繞過那條苦心布置的無窮大防線,從而第一次深入到引力王國的縱深地帶。超弦的本意是處理強作用力,但現在它的注意力完全轉向了引力:天哪,要是能征服引力,別的還在話下嗎?
關於引力的計算完成於1982年前後,到了1984年,施瓦茨和格林打了一場關鍵的勝仗,使得超弦驚動整個物理界:他們解決了所謂的“反常”問題。本來在超弦中有無窮多種的對稱性可供選擇,但施瓦茨和格林經過仔細檢查後發現,隻有在極其有限的對稱形態中,理論才得以消除這些反常而得以自洽。這樣就使得我們能夠認真地考察那幾種特定的超弦理論,而不必同時對付無窮多的可能性。更妙的是,篩選下來的那些群正好可以包容現有的規範場理論,還有粒子的標準模型!偉大的勝利!