弦论与真实世界

苗千

因为确实缺乏现实中的实验证据，是否相信弦论或是多重宇宙论，已经上升到了近乎信仰的层面。

弦论（String Theory）可能是目前理论物理学界众多纷繁复杂的前沿理论中，最为大众所熟知的一个。把一个个被认为是点状的基本粒子化为不断振动的弦，认为在我们习以为常的四维世界中其实还隐藏着其他众多的维度，整个世界是由十个或是十一个维度构成，这些理念非常容易激发大众的想象力。不仅是在普罗大众之中，众多物理学家也都把弦论视为可以解释一切物理现象，最终成为“大统一”理论的候选者。

充满争议的大统一

自从20世纪初，相对论和量子理论几乎同时诞生之后，物理学家们就开始试着将这两种理论统一在一起，创建一个包罗万象，足以解释宇宙中一切现象的统一理论。这项工作最著名的一位失败者就是爱因斯坦。在发表了广义相对论之后，这位世界上最伟大的物理学家花费了自己的整个下半生试着独自发展出“统一场论”，希望能够统一广义相对论与量子力学，但最终也没能取得成功。

在现代物理学家们看来，爱因斯坦的失败是无可避免的，因为在他的时代，人们还没有发现原子核中的强相互作用和弱相互作用，对自然界的理解还不充分。进入21世纪之后，物理学家们的信心越来越强，越来越多的人开始相信，人类正处于获得物理学大统一理论的前夜，而其中最有希望的理论——弦论——起码已经在数学上将量子力学和相对论统一了起来。正因为如此，每一次有关弦论的学术会议总是能吸引众多世界知名的数学家和物理学家，探讨由弦论所形成的时空观，以及由这个理论出发所理解的自然世界。

作为潜在的大统一理论，弦论还有另一个特点，那就是总能引起其反对者的强烈反对甚至是攻击，这些反对者的理由也大多一致：弦论作为一个数学框架，还没有得到任何证据支持，它压根就不能算是一个物理学理论。在弦论众多的反对者中，名气最大的应该就是已故著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman），他对超弦理论曾经评价道：“或许我可以对未来的历史学家们说，超弦理论完全是疯狂的，它根本就是在错误的道路上……我不喜欢他们根本就不做任何计算……弦论没有任何解释——什么都没有！……我不喜欢他们不检查自己的想法，我不喜欢任何与实验不符的东西。他们编出了一个解释，说那可能是真的。比方说，这个理论要求有十个维度，可能有六个维度是卷曲起来的。是的，在数学上可能，但是为什么不是七个呢？当他们写出一个公式，公式应该决定有多少维度会卷曲，而不是试着去迎合实验。”

哥伦比亚大学的理论物理学家皮特·沃伊特（Peter Woit）同样是弦论的激烈反对者，为此，他甚至把自己的博客命名为“Not EvenWrong”。这句名言出自奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），意為距离真理太远，“甚至连一个错误都算不上”。

弦论的众多支持者们也不甘沉默。美国密歇根大学的理论物理学家戈登·凯恩（Gaodon Kane）在2017年3月出版了一本关于弦论的通俗著作《弦论与真实世界》（String Theory and the Real World）。作为弦论专家，凯恩出版这本书的目的就是告诉读者，弦论不仅仅是一个数学框架，它与真实世界也存在着联系。

弦论的版本和名称都不止一个，这一切始于一个近乎传奇的开头。1968年，在欧洲核子中心工作的一位意大利物理学家无意中把历史悠久的欧拉公式运用到原子核中，却发现它能够完美地描述强相互作用。随后人们发现，它其实描述的是一种极其微小的、振动的弦——弦论由此诞生。此后弦论又与超对称理论相结合，诞生出超弦理论，而后超弦理论又衍生出了不同的版本，每一个版本的超弦理论似乎都有可能描述整个世界。

到了1995年，本科学习历史学，曾经热心于政治工作的爱德华·威腾（Edward Witten）利用自己超凡的数学能力，证明了各种版本的超弦理论都可以在同一个框架中统一起来，在这个框架中，世界是由十一个维度构成（十个空间维度加上一个时间维度），威腾又将这个理论称为M理论（威腾也是唯一一位获得了数学界最高荣誉菲尔茨奖的物理学家）。

凯恩教授在他的书中提道，实际上早在弦论正式诞生之前，物理学家们就已经进行过对于世界更多维度的探索。爱因斯坦在1915年发表了广义相对论之后，德国数学家和物理学家西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza）从1919年就开始探索相对论在五个维度的时空中会有什么表现。卡鲁扎发现，如果把时空扩展到五个维度，就有可能把电磁力也囊括进相对论的范畴之内，这引起了爱因斯坦的注意，但是随后这种尝试遇到了不可逾越的阻碍。1926年，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）也尝试过在量子理论中增加新的内容，他认为在时空中可能有卷曲的更多维度存在——这说明弦论其来有自，并非只是源于一时的偶然。

无法被验证的理论？

众多弦论学家被形容为“两耳不闻窗外事”，完全不关注现实世界、只是醉心于创造出一个完美理论的书呆子，凯恩教授认为这正是弦论被人误解的原因之一。想要成为一个值得信任的描述宇宙各个侧面的大统一理论，弦论必须不仅能够自圆其说，而且需要能像其他物理学理论一样，对于自然现象有所预测，并且能够真正被实验所检验。凯恩教授把希望寄托在欧洲核子中心的大型重子对撞机上。他认为，这台庞然大物有可能发现弦理论或M理论所预测的一些基本粒子，并且可能由此揭开暗物质的真实身份。

对于一个大统一理论的追求，也来自于物理学家们对粒子标准模型的不满足。在标准模型中大约存在着20个参数，这些参数只能来自于实际测量。凯恩教授则希望通过弦论得出一个完全自洽的理论，参数的数值自然由理论中衍生出来，这将意味着人类对于自然界的完全掌握。想要达到这一点，就需要大型重子对撞机在更高的能量范围进行质子对撞，以此发现更多的基本粒子，尤其是超对称理论预测的“超粒子”（Superpartner）——此前大型重子对撞机对于超粒子的探索全都失败了，或许人类还需要一台更大的粒子对撞机。

凯恩教授在书中一方面坚持弦论必须被实验所验证，在实际上也可能被实验所验证，另一方面，他对于弦论又表现出了一种类似于宗教的情感。他相信，在弦论的框架中可以解释诸如暗物质的真实身份、宇宙中物质与反物质不对称等几乎所有的物理学难题。如何确认一个理论可能是可以包容一切的终极理论？凯恩教授给出的判断标准是，列出几十个目前物理学研究最根本的问题，看看某一理论是否能够解答其中的大部分，如果可以，就说明了这个理论的重要性。

针锋相对的沃伊特面对弦论学家们的论述，丝毫没有改变自己的观点。在2017年4月的一次采访中，他再一次重复了自己的观点，“弦论甚至连错误都算不上”。他认为，弦论最重要的问题在于它的“复杂性，丑陋，以及将数学模型和物理现象联系在一起时缺乏解释能力，同时还在于它始终缺少一个统一的公式”。物理学是最为全面和精确的学科，而弦论显然不具备这样的条件。

尽管很多弦论学家一再强调，弦论可以被验证，但沃伊特也一再重复，目前在大型重子对撞机的所有实验中，都没有发现时空多余的维度或是弦论所预言的超粒子，这本身就已经说明了弦论的失败。沃伊特教授同样也不喜欢其他一些无法被证伪，却在物理学家中有着巨大市场的理论。他认为多重宇宙理论无非是物理学家对于失败的一种借口。也有物理学家认为，人类生活的宇宙，实际上是一种“模拟”，类似于有一位创造者利用电脑操纵着显示器中的画面。对于这样的理论，沃伊特教授同样不屑一顾，他引用了另一位物理学家对此的评价：“难道你对于世界创生故事最好的想象就是一个人坐在计算机前面编程吗？那么这位万能的神剩下的时间做什么，吃比萨吗？”

凯恩教授当然明白弦论反对者们的主要理由。他坚持人类想要得到一个包含了引力的量子理论，必然需要从一个十维或是十一维的理论开始，然后再利用一种“紧致化”（Compactification）的手法，把它應用到四维时空中。有人或许会认为，这样的紧致化是一个水到渠成自然而然的过程，然而事实恰恰相反，通过一个高维的弦论可能得出各种各样不同版本的四维理论，弦论学家们需要一方面进行数学方面的工作，另一方面还要注意哪一个版本的弦论恰好与实际相契合。

怎样才算是科学理论？

科学理论与其他领域的理论最大的不同之处就在于其可证伪性，实验观测的证据是判断一个科学理论成败的唯一因素。在科学史上，令人最为印象深刻的例子正是爱因斯坦的广义相对论。当爱因斯坦在第一次世界大战的过程当中提出广义相对论，他在物理学界首先得到的反应是不解，接下来还有反对和嘲笑。直到英国天文学家亚瑟·爱丁顿在1919年远赴非洲观测日食，取得了决定性的观测数据证明了相对论，才使得这个理论最终被科学界所接受，爱因斯坦也因此成为世界名人。

百年之后，人们评判一个科学理论的标准是否应该发生改变？弦论和多重宇宙论的支持者、加州理工学院著名的物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）就认为可证伪性是一个在科学界被过分拔高的标准，它接近于一个哲学思想而非科学思想。证明一个理论是否为科学理论，需要更为精细的区分。原因就在于，现代物理学所涵盖的范围远超出人们的日常经验，有时仅仅能够与实验大致相符。如弦论这样的量子引力理论，只有在地球上无法实现的高能范围才会显示出其正确性，同样例如多重宇宙理论，也是人类目前完全无法证实的。但是如果仅仅因此否认这些理论属于科学理论，拒绝仔细分析这些理论可能的正确性，同样也是一种非科学的态度。

论辩至此，看来因为确实缺乏现实中的实验证据，是否相信弦论或是多重宇宙论，已经上升到了近乎信仰的层面。因此卡罗尔也曾撰文《弦论正在输掉公共辩论》，说明弦论确实难以通过一套看似并无实据的数学架构成为解释整个宇宙的理论。凯恩教授也意识到了这一点，他认为如果能够尽快找到超弦理论所预测的超粒子，就能够证明弦论的正确性。

从星系的引力作用来看，暗物质占到整个宇宙中物质和能量总和的25%。尽管还不知道暗物质的基本构成形式，但它们因为引力作用而聚合在一起，而构成暗物质的最基本元素并不在标准模型的范畴之内。在这方面，凯恩教授相信紧致化的弦论或M理论有能力描述暗物质的基本构成——虽然这与人们对于暗物质总量的测量并不相符，但是弦论仍然为暗物质的构成提供了某种思路——一种最轻的超粒子就可能是暗物质的主要构成成分。

美国物理学家理查德·费曼

如今对于外行人来说，已经很难分辨清楚支持弦论与反对弦论两派物理学家真正的分歧所在。保守与激进，相信实证或是坚持信仰，似乎都不是物理学家们争论的关键。在《弦论与真实世界》一书的结尾处，凯恩教授仍然呼吁，弦论对于物理学来说太过重要，但是只有在四维时空下紧致化的弦论在理论上才有被检验的可能。虽然十维或是十一个维度的时空听上去玄而又玄，但这可能是人们能得到的最简单的关于宇宙的大统一理论。沃伊特对于此类理论的观点却丝毫没有改变，他认为诸如此类没有任何证据支持，甚至没有任何间接证据支持的理论毫无疑问属于伪科学之列。

无论如何，对于这两派科学家，有一点是共通的，他们都在寻找一个可以解释整个宇宙的统一理论，这也是物理学家们百年来所追求的最高目标。把客观世界中极大和极小尺度的运动规律囊括在同一个框架之内，对于追求精确和统一的物理学来说，是一个自然而然的过程。但不断失败的尝试，也会使一些物理学家开始反思现在对于“大统一”的追求会不会是一个错误的方向？毕竟人类对于宇宙的理解还只能算是极其有限，不仅在理论上，自从发现了希格斯玻色子后，人类在高能物理学的探测中也一直没有更多突破。人类创造出的种种理论如何才能与现实契合，或许最终时间会给出答案。