财新传媒
位置:博客 > 李淼 > 尚未完成的理论  

尚未完成的理论  

《牛顿科学世界》卷首语

我经历过弦论的两次“革命”。

 

第一次,是上世纪八十年代中期,那时我刚读研究生,初期打算研究的理论叫

超引力,是一种结合爱因斯坦的引力理论和一种叫超对称的东西的理论。很奇怪,超对称是七十年代首先在弦论中出现的,但人们并没有重视,直到后来人们发现超对称理论的量子性质非常好,才越来越重视它。到了超引力时代,研究者普遍倾向认为引力和超对称结合了,过去无法计算量子引力的困难就克服了。

 

弦论经过第一次革命,高能物理学界许多人觉得终于找到了统一引力和基本粒子理论的正确理论,那时我也转向学习和研究弦论。写了几篇论文后混到美国加州大学做博士后。当我真正进入这个领域的时候,弦论的进展非常缓慢,人们一度觉得也许没有希望了,主要原因有两个,当时存在几个不同的超弦理论,哪一个是自然界选择的?另外,弦论家们无法计算粒子物理中看上去很随意的一些参数,例如,电子和上夸克的质量比。

 

我有幸有亲历了弦论的第二次革命,发生在上世纪九十年代中期。推动这场革命的都是当时的中年人,现在都有六十岁或者更大了。这场革命统一了所有看上去不同的弦论,人们发现原来这些完全不一样的理论(除了理论的基石都是弦)其实是一个更深理论的不同表现,这个理论叫M理论。M理论的基石是膜,但膜本身不稳定,只有当一个空间维度从开放的无限大直线变成有限长的圆之后,绕在圆上的膜才是稳定的。从其他维角度看,就是弦了。(这就像将一个膜绷在针上,远远地看上去就是一根线。)

 

M理论轰轰烈烈地发展了近十年,在这十年中,我一直相信我们找到了正确的终极理论,因为不同的弦理论都统一了,某些黑洞的量子性质也可以计算了,甚至,我们还可以利用弦论来计算过去很多不会计算的问题,例如某些场论中严格的量子效应——过去只会用所谓的微扰方法一级一级的计算近似值,弦论甚至启发了人们研究宇宙学中的一些问题,也启发了粒子物理学家们提出各种不同的理解上帝粒子的图像。可惜,到了本世纪第一个十年,人们失望地发现,我们还是不会计算电子和上夸克的质量比,我们不知道中微子为什么有质量,为什么它们的质量这么小,等等。雪上加霜的是,上世纪末宇宙学家发现宇宙膨胀的速度越来越大,弦论也不能解释这个现象。当然,有一种弦景观的看法认为,弦论中有很多不同的解,不同的解中,宇宙有的加速有的减速。

 

所以,目前弦论的状态是,它仍然是唯一能够计算量子引力效应的理论,它发展出来的引力的全息原理深入人心,被认为是引力的基本原理,并且一些全息理论还可以应用到处理场论和凝聚态物理的一些问题,弦论仍然是一个统一的理论,可惜它有许许多多的解,我们不知道我们的宇宙为什么是其中一个非常不起眼的解之一。

 

最为令人沮丧的是,大型强子对撞机在7万亿和8万亿电子伏特的超高能量上高效地运行了两年,发现了上帝粒子却没有发现超对称。超对称既是弦论的“预言”,也是解决所谓弱电统一低能标的主要方案。我们知道,在粒子表中,所有已知粒子的质量都不超过两千亿电子伏特,包括新发现的上帝粒子。这些质量与量子引力设定的能量标度差了16个量级,这是为什么?如果存在超对称,这个问题就有了解答,因为超对称将已有的粒子和未知的粒子分为两类,一类质量较轻,一类较重,它同时还保护了较轻粒子的质量不会变大。目前,大型强子对撞机已经将一些超对称粒子的质量下限定在了一万多亿电子伏特之上。

 

超对称被弦论家们当成理所当然应该被发现的。如果真的没有超对称,弦论的实验验证几乎就没有希望了。当然,两年之后大型强子对撞机的能量将提高几乎一倍,也许我们还有机会发现超对称。如果没有发现呢?弦论家们就需要开动最好的脑力来思考如何通过现在还想象不到的方式验证弦论了。

 

随着弦论发展的起伏,我时而信心满满,时而感到失望。从最长远的立场看,弦论还是充满希望的,这是因为,除了弦论以外,还真没有所谓的量子引力理论,至少全世界的聪明理论物理学家们通过几代人的努力没有发现其他量子引力理论。

 

推荐 14