弦論與真實世界

苗千

因為確實缺乏現實中的實驗證據，是否相信弦論或是多重宇宙論，已經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界眾多紛繁復雜的前沿理論中，最為大眾所熟知的一個。把一個個被認為是點狀的基本粒子化為不斷振動的弦，認為在我們習以為常的四維世界中其實還隱藏著其他眾多的維度，整個世界是由十個或是十一個維度構成，這些理念非常容易激發大眾的想象力。不僅是在普羅大眾之中，眾多物理學家也都把弦論視為可以解釋一切物理現象，最終成為“大統一”理論的候選者。

充滿爭議的大統一

自從20世紀初，相對論和量子理論幾乎同時誕生之后，物理學家們就開始試著將這兩種理論統一在一起，創建一個包羅萬象，足以解釋宇宙中一切現象的統一理論。這項工作最著名的一位失敗者就是愛因斯坦。在發表了廣義相對論之后，這位世界上最偉大的物理學家花費了自己的整個下半生試著獨自發展出“統一場論”，希望能夠統一廣義相對論與量子力學，但最終也沒能取得成功。

在現代物理學家們看來，愛因斯坦的失敗是無可避免的，因為在他的時代，人們還沒有發現原子核中的強相互作用和弱相互作用，對自然界的理解還不充分。進入21世紀之后，物理學家們的信心越來越強，越來越多的人開始相信，人類正處于獲得物理學大統一理論的前夜，而其中最有希望的理論——弦論——起碼已經在數學上將量子力學和相對論統一了起來。正因為如此，每一次有關弦論的學術會議總是能吸引眾多世界知名的數學家和物理學家，探討由弦論所形成的時空觀，以及由這個理論出發所理解的自然世界。

作為潛在的大統一理論，弦論還有另一個特點，那就是總能引起其反對者的強烈反對甚至是攻擊，這些反對者的理由也大多一致：弦論作為一個數學框架，還沒有得到任何證據支持，它壓根就不能算是一個物理學理論。在弦論眾多的反對者中，名氣最大的應該就是已故著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman），他對超弦理論曾經評價道：“或許我可以對未來的歷史學家們說，超弦理論完全是瘋狂的，它根本就是在錯誤的道路上……我不喜歡他們根本就不做任何計算……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，我不喜歡任何與實驗不符的東西。他們編出了一個解釋，說那可能是真的。比方說，這個理論要求有十個維度，可能有六個維度是卷曲起來的。是的，在數學上可能，但是為什么不是七個呢？當他們寫出一個公式，公式應該決定有多少維度會卷曲，而不是試著去迎合實驗。”

哥倫比亞大學的理論物理學家皮特·沃伊特（Peter Woit）同樣是弦論的激烈反對者，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家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli），意為距離真理太遠，“甚至連一個錯誤都算不上”。

弦論的眾多支持者們也不甘沉默。美國密歇根大學的理論物理學家戈登·凱恩（Gaodon Kane）在2017年3月出版了一本關于弦論的通俗著作《弦論與真實世界》（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，弦論不僅僅是一個數學框架，它與真實世界也存在著聯系。

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

到了1995年，本科學習歷史學，曾經熱心于政治工作的愛德華·威騰（Edward Witten）利用自己超凡的數學能力，證明了各種版本的超弦理論都可以在同一個框架中統一起來，在這個框架中，世界是由十一個維度構成（十個空間維度加上一個時間維度），威騰又將這個理論稱為M理論（威騰也是唯一一位獲得了數學界最高榮譽菲爾茨獎的物理學家）。

凱恩教授在他的書中提道，實際上早在弦論正式誕生之前，物理學家們就已經進行過對于世界更多維度的探索。愛因斯坦在1915年發表了廣義相對論之后，德國數學家和物理學家西奧多·卡魯扎（Theodor Kaluza）從1919年就開始探索相對論在五個維度的時空中會有什么表現。卡魯扎發現，如果把時空擴展到五個維度，就有可能把電磁力也囊括進相對論的范疇之內，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，瑞典物理學家奧斯卡·克萊因（Oskar Klein）也嘗試過在量子理論中增加新的內容，他認為在時空中可能有卷曲的更多維度存在——這說明弦論其來有自，并非只是源于一時的偶然。

無法被驗證的理論？

眾多弦論學家被形容為“兩耳不聞窗外事”，完全不關注現實世界、只是醉心于創造出一個完美理論的書呆子，凱恩教授認為這正是弦論被人誤解的原因之一。想要成為一個值得信任的描述宇宙各個側面的大統一理論，弦論必須不僅能夠自圓其說，而且需要能像其他物理學理論一樣，對于自然現象有所預測，并且能夠真正被實驗所檢驗。凱恩教授把希望寄托在歐洲核子中心的大型重子對撞機上。他認為，這臺龐然大物有可能發現弦理論或M理論所預測的一些基本粒子，并且可能由此揭開暗物質的真實身份。

對于一個大統一理論的追求，也來自于物理學家們對粒子標準模型的不滿足。在標準模型中大約存在著20個參數，這些參數只能來自于實際測量。凱恩教授則希望通過弦論得出一個完全自洽的理論，參數的數值自然由理論中衍生出來，這將意味著人類對于自然界的完全掌握。想要達到這一點，就需要大型重子對撞機在更高的能量范圍進行質子對撞，以此發現更多的基本粒子，尤其是超對稱理論預測的“超粒子”（Superpartner）——此前大型重子對撞機對于超粒子的探索全都失敗了，或許人類還需要一臺更大的粒子對撞機。

凱恩教授在書中一方面堅持弦論必須被實驗所驗證，在實際上也可能被實驗所驗證，另一方面，他對于弦論又表現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的真實身份、宇宙中物質與反物質不對稱等幾乎所有的物理學難題。如何確認一個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準是，列出幾十個目前物理學研究最根本的問題，看看某一理論是否能夠解答其中的大部分，如果可以，就說明了這個理論的重要性。

針鋒相對的沃伊特面對弦論學家們的論述，絲毫沒有改變自己的觀點。在2017年4月的一次采訪中，他再一次重復了自己的觀點，“弦論甚至連錯誤都算不上”。他認為，弦論最重要的問題在于它的“復雜性，丑陋，以及將數學模型和物理現象聯系在一起時缺乏解釋能力，同時還在于它始終缺少一個統一的公式”。物理學是最為全面和精確的學科，而弦論顯然不具備這樣的條件。

盡管很多弦論學家一再強調，弦論可以被驗證，但沃伊特也一再重復，目前在大型重子對撞機的所有實驗中，都沒有發現時空多余的維度或是弦論所預言的超粒子，這本身就已經說明了弦論的失敗。沃伊特教授同樣也不喜歡其他一些無法被證偽，卻在物理學家中有著巨大市場的理論。他認為多重宇宙理論無非是物理學家對于失敗的一種借口。也有物理學家認為，人類生活的宇宙，實際上是一種“模擬”，類似于有一位創造者利用電腦操縱著顯示器中的畫面。對于這樣的理論，沃伊特教授同樣不屑一顧，他引用了另一位物理學家對此的評價：“難道你對于世界創生故事最好的想象就是一個人坐在計算機前面編程嗎？那么這位萬能的神剩下的時間做什么，吃比薩嗎？”

凱恩教授當然明白弦論反對者們的主要理由。他堅持人類想要得到一個包含了引力的量子理論，必然需要從一個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，把它應用到四維時空中。有人或許會認為，這樣的緊致化是一個水到渠成自然而然的過程，然而事實恰恰相反，通過一個高維的弦論可能得出各種各樣不同版本的四維理論，弦論學家們需要一方面進行數學方面的工作，另一方面還要注意哪一個版本的弦論恰好與實際相契合。

怎樣才算是科學理論？

科學理論與其他領域的理論最大的不同之處就在于其可證偽性，實驗觀測的證據是判斷一個科學理論成敗的唯一因素。在科學史上，令人最為印象深刻的例子正是愛因斯坦的廣義相對論。當愛因斯坦在第一次世界大戰的過程當中提出廣義相對論，他在物理學界首先得到的反應是不解，接下來還有反對和嘲笑。直到英國天文學家亞瑟·愛丁頓在1919年遠赴非洲觀測日食，取得了決定性的觀測數據證明了相對論，才使得這個理論最終被科學界所接受，愛因斯坦也因此成為世界名人。

百年之后，人們評判一個科學理論的標準是否應該發生改變？弦論和多重宇宙論的支持者、加州理工學院著名的物理學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）就認為可證偽性是一個在科學界被過分拔高的標準，它接近于一個哲學思想而非科學思想。證明一個理論是否為科學理論，需要更為精細的區分。原因就在于，現代物理學所涵蓋的范圍遠超出人們的日常經驗，有時僅僅能夠與實驗大致相符。如弦論這樣的量子引力理論，只有在地球上無法實現的高能范圍才會顯示出其正確性，同樣例如多重宇宙理論，也是人類目前完全無法證實的。但是如果僅僅因此否認這些理論屬于科學理論，拒絕仔細分析這些理論可能的正確性，同樣也是一種非科學的態度。

論辯至此，看來因為確實缺乏現實中的實驗證據，是否相信弦論或是多重宇宙論，已經上升到了近乎信仰的層面。因此卡羅爾也曾撰文《弦論正在輸掉公共辯論》，說明弦論確實難以通過一套看似并無實據的數學架構成為解釋整個宇宙的理論。凱恩教授也意識到了這一點，他認為如果能夠盡快找到超弦理論所預測的超粒子，就能夠證明弦論的正確性。

從星系的引力作用來看，暗物質占到整個宇宙中物質和能量總和的25%。盡管還不知道暗物質的基本構成形式，但它們因為引力作用而聚合在一起，而構成暗物質的最基本元素并不在標準模型的范疇之內。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的基本構成——雖然這與人們對于暗物質總量的測量并不相符，但是弦論仍然為暗物質的構成提供了某種思路——一種最輕的超粒子就可能是暗物質的主要構成成分。

美國物理學家理查德·費曼

如今對于外行人來說，已經很難分辨清楚支持弦論與反對弦論兩派物理學家真正的分歧所在。保守與激進，相信實證或是堅持信仰，似乎都不是物理學家們爭論的關鍵。在《弦論與真實世界》一書的結尾處，凱恩教授仍然呼吁，弦論對于物理學來說太過重要，但是只有在四維時空下緊致化的弦論在理論上才有被檢驗的可能。雖然十維或是十一個維度的時空聽上去玄而又玄，但這可能是人們能得到的最簡單的關于宇宙的大統一理論。沃伊特對于此類理論的觀點卻絲毫沒有改變，他認為諸如此類沒有任何證據支持，甚至沒有任何間接證據支持的理論毫無疑問屬于偽科學之列。

無論如何，對于這兩派科學家，有一點是共通的，他們都在尋找一個可以解釋整個宇宙的統一理論，這也是物理學家們百年來所追求的最高目標。把客觀世界中極大和極小尺度的運動規律囊括在同一個框架之內，對于追求精確和統一的物理學來說，是一個自然而然的過程。但不斷失敗的嘗試，也會使一些物理學家開始反思現在對于“大統一”的追求會不會是一個錯誤的方向？畢竟人類對于宇宙的理解還只能算是極其有限，不僅在理論上，自從發現了希格斯玻色子后，人類在高能物理學的探測中也一直沒有更多突破。人類創造出的種種理論如何才能與現實契合，或許最終時間會給出答案。