弦論與真實(shí)世界

苗千

因?yàn)榇_實(shí)缺乏現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是否相信弦論或是多重宇宙論，已經(jīng)上升到了近乎信仰的層面。

弦論（String Theory）可能是目前理論物理學(xué)界眾多紛繁復(fù)雜的前沿理論中，最為大眾所熟知的一個(gè)。把一個(gè)個(gè)被認(rèn)為是點(diǎn)狀的基本粒子化為不斷振動(dòng)的弦，認(rèn)為在我們習(xí)以為常的四維世界中其實(shí)還隱藏著其他眾多的維度，整個(gè)世界是由十個(gè)或是十一個(gè)維度構(gòu)成，這些理念非常容易激發(fā)大眾的想象力。不僅是在普羅大眾之中，眾多物理學(xué)家也都把弦論視為可以解釋一切物理現(xiàn)象，最終成為“大統(tǒng)一”理論的候選者。

充滿爭(zhēng)議的大統(tǒng)一

自從20世紀(jì)初，相對(duì)論和量子理論幾乎同時(shí)誕生之后，物理學(xué)家們就開始試著將這兩種理論統(tǒng)一在一起，創(chuàng)建一個(gè)包羅萬象，足以解釋宇宙中一切現(xiàn)象的統(tǒng)一理論。這項(xiàng)工作最著名的一位失敗者就是愛因斯坦。在發(fā)表了廣義相對(duì)論之后，這位世界上最偉大的物理學(xué)家花費(fèi)了自己的整個(gè)下半生試著獨(dú)自發(fā)展出“統(tǒng)一場(chǎng)論”，希望能夠統(tǒng)一廣義相對(duì)論與量子力學(xué)，但最終也沒能取得成功。

在現(xiàn)代物理學(xué)家們看來，愛因斯坦的失敗是無可避免的，因?yàn)樵谒臅r(shí)代，人們還沒有發(fā)現(xiàn)原子核中的強(qiáng)相互作用和弱相互作用，對(duì)自然界的理解還不充分。進(jìn)入21世紀(jì)之后，物理學(xué)家們的信心越來越強(qiáng)，越來越多的人開始相信，人類正處于獲得物理學(xué)大統(tǒng)一理論的前夜，而其中最有希望的理論——弦論——起碼已經(jīng)在數(shù)學(xué)上將量子力學(xué)和相對(duì)論統(tǒng)一了起來。正因?yàn)槿绱耍恳淮斡嘘P(guān)弦論的學(xué)術(shù)會(huì)議總是能吸引眾多世界知名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，探討由弦論所形成的時(shí)空觀，以及由這個(gè)理論出發(fā)所理解的自然世界。

作為潛在的大統(tǒng)一理論，弦論還有另一個(gè)特點(diǎn)，那就是總能引起其反對(duì)者的強(qiáng)烈反對(duì)甚至是攻擊，這些反對(duì)者的理由也大多一致：弦論作為一個(gè)數(shù)學(xué)框架，還沒有得到任何證據(jù)支持，它壓根就不能算是一個(gè)物理學(xué)理論。在弦論眾多的反對(duì)者中，名氣最大的應(yīng)該就是已故著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman），他對(duì)超弦理論曾經(jīng)評(píng)價(jià)道：“或許我可以對(duì)未來的歷史學(xué)家們說，超弦理論完全是瘋狂的，它根本就是在錯(cuò)誤的道路上……我不喜歡他們根本就不做任何計(jì)算……弦論沒有任何解釋——什么都沒有！……我不喜歡他們不檢查自己的想法，我不喜歡任何與實(shí)驗(yàn)不符的東西。他們編出了一個(gè)解釋，說那可能是真的。比方說，這個(gè)理論要求有十個(gè)維度，可能有六個(gè)維度是卷曲起來的。是的，在數(shù)學(xué)上可能，但是為什么不是七個(gè)呢？當(dāng)他們寫出一個(gè)公式，公式應(yīng)該決定有多少維度會(huì)卷曲，而不是試著去迎合實(shí)驗(yàn)。”

哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家皮特·沃伊特（Peter Woit）同樣是弦論的激烈反對(duì)者，為此，他甚至把自己的博客命名為“Not EvenWrong”。這句名言出自奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli），意為距離真理太遠(yuǎn)，“甚至連一個(gè)錯(cuò)誤都算不上”。

弦論的眾多支持者們也不甘沉默。美國密歇根大學(xué)的理論物理學(xué)家戈登·凱恩（Gaodon Kane）在2017年3月出版了一本關(guān)于弦論的通俗著作《弦論與真實(shí)世界》（String Theory and the Real World）。作為弦論專家，凱恩出版這本書的目的就是告訴讀者，弦論不僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)框架，它與真實(shí)世界也存在著聯(lián)系。

弦論的版本和名稱都不止一個(gè)，這一切始于一個(gè)近乎傳奇的開頭。1968年，在歐洲核子中心工作的一位意大利物理學(xué)家無意中把歷史悠久的歐拉公式運(yùn)用到原子核中，卻發(fā)現(xiàn)它能夠完美地描述強(qiáng)相互作用。隨后人們發(fā)現(xiàn)，它其實(shí)描述的是一種極其微小的、振動(dòng)的弦——弦論由此誕生。此后弦論又與超對(duì)稱理論相結(jié)合，誕生出超弦理論，而后超弦理論又衍生出了不同的版本，每一個(gè)版本的超弦理論似乎都有可能描述整個(gè)世界。

到了1995年，本科學(xué)習(xí)歷史學(xué)，曾經(jīng)熱心于政治工作的愛德華·威騰（Edward Witten）利用自己超凡的數(shù)學(xué)能力，證明了各種版本的超弦理論都可以在同一個(gè)框架中統(tǒng)一起來，在這個(gè)框架中，世界是由十一個(gè)維度構(gòu)成（十個(gè)空間維度加上一個(gè)時(shí)間維度），威騰又將這個(gè)理論稱為M理論（威騰也是唯一一位獲得了數(shù)學(xué)界最高榮譽(yù)菲爾茨獎(jiǎng)的物理學(xué)家）。

凱恩教授在他的書中提道，實(shí)際上早在弦論正式誕生之前，物理學(xué)家們就已經(jīng)進(jìn)行過對(duì)于世界更多維度的探索。愛因斯坦在1915年發(fā)表了廣義相對(duì)論之后，德國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）從1919年就開始探索相對(duì)論在五個(gè)維度的時(shí)空中會(huì)有什么表現(xiàn)。卡魯扎發(fā)現(xiàn)，如果把時(shí)空擴(kuò)展到五個(gè)維度，就有可能把電磁力也囊括進(jìn)相對(duì)論的范疇之內(nèi)，這引起了愛因斯坦的注意，但是隨后這種嘗試遇到了不可逾越的阻礙。1926年，瑞典物理學(xué)家奧斯卡·克萊因（Oskar Klein）也嘗試過在量子理論中增加新的內(nèi)容，他認(rèn)為在時(shí)空中可能有卷曲的更多維度存在——這說明弦論其來有自，并非只是源于一時(shí)的偶然。

無法被驗(yàn)證的理論？

眾多弦論學(xué)家被形容為“兩耳不聞窗外事”，完全不關(guān)注現(xiàn)實(shí)世界、只是醉心于創(chuàng)造出一個(gè)完美理論的書呆子，凱恩教授認(rèn)為這正是弦論被人誤解的原因之一。想要成為一個(gè)值得信任的描述宇宙各個(gè)側(cè)面的大統(tǒng)一理論，弦論必須不僅能夠自圓其說，而且需要能像其他物理學(xué)理論一樣，對(duì)于自然現(xiàn)象有所預(yù)測(cè)，并且能夠真正被實(shí)驗(yàn)所檢驗(yàn)。凱恩教授把希望寄托在歐洲核子中心的大型重子對(duì)撞機(jī)上。他認(rèn)為，這臺(tái)龐然大物有可能發(fā)現(xiàn)弦理論或M理論所預(yù)測(cè)的一些基本粒子，并且可能由此揭開暗物質(zhì)的真實(shí)身份。

對(duì)于一個(gè)大統(tǒng)一理論的追求，也來自于物理學(xué)家們對(duì)粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的不滿足。在標(biāo)準(zhǔn)模型中大約存在著20個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)只能來自于實(shí)際測(cè)量。凱恩教授則希望通過弦論得出一個(gè)完全自洽的理論，參數(shù)的數(shù)值自然由理論中衍生出來，這將意味著人類對(duì)于自然界的完全掌握。想要達(dá)到這一點(diǎn)，就需要大型重子對(duì)撞機(jī)在更高的能量范圍進(jìn)行質(zhì)子對(duì)撞，以此發(fā)現(xiàn)更多的基本粒子，尤其是超對(duì)稱理論預(yù)測(cè)的“超粒子”（Superpartner）——此前大型重子對(duì)撞機(jī)對(duì)于超粒子的探索全都失敗了，或許人類還需要一臺(tái)更大的粒子對(duì)撞機(jī)。

凱恩教授在書中一方面堅(jiān)持弦論必須被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，在實(shí)際上也可能被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，另一方面，他對(duì)于弦論又表現(xiàn)出了一種類似于宗教的情感。他相信，在弦論的框架中可以解釋諸如暗物質(zhì)的真實(shí)身份、宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱等幾乎所有的物理學(xué)難題。如何確認(rèn)一個(gè)理論可能是可以包容一切的終極理論？凱恩教授給出的判斷標(biāo)準(zhǔn)是，列出幾十個(gè)目前物理學(xué)研究最根本的問題，看看某一理論是否能夠解答其中的大部分，如果可以，就說明了這個(gè)理論的重要性。

針鋒相對(duì)的沃伊特面對(duì)弦論學(xué)家們的論述，絲毫沒有改變自己的觀點(diǎn)。在2017年4月的一次采訪中，他再一次重復(fù)了自己的觀點(diǎn)，“弦論甚至連錯(cuò)誤都算不上”。他認(rèn)為，弦論最重要的問題在于它的“復(fù)雜性，丑陋，以及將數(shù)學(xué)模型和物理現(xiàn)象聯(lián)系在一起時(shí)缺乏解釋能力，同時(shí)還在于它始終缺少一個(gè)統(tǒng)一的公式”。物理學(xué)是最為全面和精確的學(xué)科，而弦論顯然不具備這樣的條件。

盡管很多弦論學(xué)家一再強(qiáng)調(diào)，弦論可以被驗(yàn)證，但沃伊特也一再重復(fù)，目前在大型重子對(duì)撞機(jī)的所有實(shí)驗(yàn)中，都沒有發(fā)現(xiàn)時(shí)空多余的維度或是弦論所預(yù)言的超粒子，這本身就已經(jīng)說明了弦論的失敗。沃伊特教授同樣也不喜歡其他一些無法被證偽，卻在物理學(xué)家中有著巨大市場(chǎng)的理論。他認(rèn)為多重宇宙理論無非是物理學(xué)家對(duì)于失敗的一種借口。也有物理學(xué)家認(rèn)為，人類生活的宇宙，實(shí)際上是一種“模擬”，類似于有一位創(chuàng)造者利用電腦操縱著顯示器中的畫面。對(duì)于這樣的理論，沃伊特教授同樣不屑一顧，他引用了另一位物理學(xué)家對(duì)此的評(píng)價(jià)：“難道你對(duì)于世界創(chuàng)生故事最好的想象就是一個(gè)人坐在計(jì)算機(jī)前面編程嗎？那么這位萬能的神剩下的時(shí)間做什么，吃比薩嗎？”

凱恩教授當(dāng)然明白弦論反對(duì)者們的主要理由。他堅(jiān)持人類想要得到一個(gè)包含了引力的量子理論，必然需要從一個(gè)十維或是十一維的理論開始，然后再利用一種“緊致化”（Compactification）的手法，把它應(yīng)用到四維時(shí)空中。有人或許會(huì)認(rèn)為，這樣的緊致化是一個(gè)水到渠成自然而然的過程，然而事實(shí)恰恰相反，通過一個(gè)高維的弦論可能得出各種各樣不同版本的四維理論，弦論學(xué)家們需要一方面進(jìn)行數(shù)學(xué)方面的工作，另一方面還要注意哪一個(gè)版本的弦論恰好與實(shí)際相契合。

怎樣才算是科學(xué)理論？

科學(xué)理論與其他領(lǐng)域的理論最大的不同之處就在于其可證偽性，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的證據(jù)是判斷一個(gè)科學(xué)理論成敗的唯一因素。在科學(xué)史上，令人最為印象深刻的例子正是愛因斯坦的廣義相對(duì)論。當(dāng)愛因斯坦在第一次世界大戰(zhàn)的過程當(dāng)中提出廣義相對(duì)論，他在物理學(xué)界首先得到的反應(yīng)是不解，接下來還有反對(duì)和嘲笑。直到英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓在1919年遠(yuǎn)赴非洲觀測(cè)日食，取得了決定性的觀測(cè)數(shù)據(jù)證明了相對(duì)論，才使得這個(gè)理論最終被科學(xué)界所接受，愛因斯坦也因此成為世界名人。

百年之后，人們?cè)u(píng)判一個(gè)科學(xué)理論的標(biāo)準(zhǔn)是否應(yīng)該發(fā)生改變？弦論和多重宇宙論的支持者、加州理工學(xué)院著名的物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）就認(rèn)為可證偽性是一個(gè)在科學(xué)界被過分拔高的標(biāo)準(zhǔn)，它接近于一個(gè)哲學(xué)思想而非科學(xué)思想。證明一個(gè)理論是否為科學(xué)理論，需要更為精細(xì)的區(qū)分。原因就在于，現(xiàn)代物理學(xué)所涵蓋的范圍遠(yuǎn)超出人們的日常經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)僅僅能夠與實(shí)驗(yàn)大致相符。如弦論這樣的量子引力理論，只有在地球上無法實(shí)現(xiàn)的高能范圍才會(huì)顯示出其正確性，同樣例如多重宇宙理論，也是人類目前完全無法證實(shí)的。但是如果僅僅因此否認(rèn)這些理論屬于科學(xué)理論，拒絕仔細(xì)分析這些理論可能的正確性，同樣也是一種非科學(xué)的態(tài)度。

論辯至此，看來因?yàn)榇_實(shí)缺乏現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是否相信弦論或是多重宇宙論，已經(jīng)上升到了近乎信仰的層面。因此卡羅爾也曾撰文《弦論正在輸?shù)艄厕q論》，說明弦論確實(shí)難以通過一套看似并無實(shí)據(jù)的數(shù)學(xué)架構(gòu)成為解釋整個(gè)宇宙的理論。凱恩教授也意識(shí)到了這一點(diǎn)，他認(rèn)為如果能夠盡快找到超弦理論所預(yù)測(cè)的超粒子，就能夠證明弦論的正確性。

從星系的引力作用來看，暗物質(zhì)占到整個(gè)宇宙中物質(zhì)和能量總和的25%。盡管還不知道暗物質(zhì)的基本構(gòu)成形式，但它們因?yàn)橐ψ饔枚酆显谝黄穑鴺?gòu)成暗物質(zhì)的最基本元素并不在標(biāo)準(zhǔn)模型的范疇之內(nèi)。在這方面，凱恩教授相信緊致化的弦論或M理論有能力描述暗物質(zhì)的基本構(gòu)成——雖然這與人們對(duì)于暗物質(zhì)總量的測(cè)量并不相符，但是弦論仍然為暗物質(zhì)的構(gòu)成提供了某種思路——一種最輕的超粒子就可能是暗物質(zhì)的主要構(gòu)成成分。

美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼

如今對(duì)于外行人來說，已經(jīng)很難分辨清楚支持弦論與反對(duì)弦論兩派物理學(xué)家真正的分歧所在。保守與激進(jìn)，相信實(shí)證或是堅(jiān)持信仰，似乎都不是物理學(xué)家們爭(zhēng)論的關(guān)鍵。在《弦論與真實(shí)世界》一書的結(jié)尾處，凱恩教授仍然呼吁，弦論對(duì)于物理學(xué)來說太過重要，但是只有在四維時(shí)空下緊致化的弦論在理論上才有被檢驗(yàn)的可能。雖然十維或是十一個(gè)維度的時(shí)空聽上去玄而又玄，但這可能是人們能得到的最簡(jiǎn)單的關(guān)于宇宙的大統(tǒng)一理論。沃伊特對(duì)于此類理論的觀點(diǎn)卻絲毫沒有改變，他認(rèn)為諸如此類沒有任何證據(jù)支持，甚至沒有任何間接證據(jù)支持的理論毫無疑問屬于偽科學(xué)之列。

無論如何，對(duì)于這兩派科學(xué)家，有一點(diǎn)是共通的，他們都在尋找一個(gè)可以解釋整個(gè)宇宙的統(tǒng)一理論，這也是物理學(xué)家們百年來所追求的最高目標(biāo)。把客觀世界中極大和極小尺度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律囊括在同一個(gè)框架之內(nèi)，對(duì)于追求精確和統(tǒng)一的物理學(xué)來說，是一個(gè)自然而然的過程。但不斷失敗的嘗試，也會(huì)使一些物理學(xué)家開始反思現(xiàn)在對(duì)于“大統(tǒng)一”的追求會(huì)不會(huì)是一個(gè)錯(cuò)誤的方向？畢竟人類對(duì)于宇宙的理解還只能算是極其有限，不僅在理論上，自從發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子后，人類在高能物理學(xué)的探測(cè)中也一直沒有更多突破。人類創(chuàng)造出的種種理論如何才能與現(xiàn)實(shí)契合，或許最終時(shí)間會(huì)給出答案。