弦理论值得物理学家研究吗?

在爱因斯坦撰写的《相对论的意义》(The Meaning of Relativity)重印版本的前言中,弦理论物理学家布赖恩 格林写道,超弦理论成功地结合了广义相对论和量子力学。除此之外,它也有能力平等的包含电磁力、弱相互作用力和强相互作用力。

在超弦理论中,每一种力都与弦的不同振动模式相关联。因此,就像由四种不同音符组成的吉他和弦一样,自然的四种力量在超弦理论的音乐中结合在一起。更重要的是,这适用于所有物质。在超弦理论中,电子、夸克、中微子以及所有其他粒子都被描述为拥有不同振动模式的弦。因此,所有物质和所有力在振动弦的同一说明下,都结合在一起,这就像一个统一性理论使所有一切统一起来。

那么,弦理论是否真的有证据吗?弦理论值得研究么?弦理论能完成以上提到得所有情况吗?

超弦理论确实合并了广义相对论和量子力学。它的成功与否,取决于我们所说的成功意味着什么。

格林非常谨慎地指出,超弦理论“有能力接受”引力和其他已知的基本力(电磁力、弱力和强力)。他的意思是,大多数弦理论学家目前认为存在一种超弦理论的特定模型,使它产生了这四种力。这个模糊的短语“有能力”是一种共同信念的表达。它掩盖了这样一个事实:没有人能够找到一个真正像格林所说的那样的模型。

超弦理论也带来了许多附带后果,这些附带后果经常被忽视。首先,这里的“超级”不是强调这个理论有多让人赞叹,而是指出它是超对称的。超对称是一种对称性,它假定标准模型的所有粒子都有一个伙伴粒子。这些伙伴粒子还没有被发现。但这并不排除超对称性,因为产生这些粒子的能量只可能会比我们所测试的更高。不过它确实意味着我们没有证据表明自然界实现了超对称性。

更糟糕的是,如果使标准模型超对称,由此产生的理论与实验相冲突。原因是这样做可以改变中性流,而这还未被观测到。这在20世纪90年代中期就清楚知道了,因为是很久以前的事,现在已经成为没人会提起的一个“众所周知”的问题了。为了拯救超对称性和超弦,理论学家们假定了一种额外的对称性,叫做R宇称,它简单地禁止了令人烦恼的过程。

超弦理论的另一个附带后果是它们需要额外的空间维度,总共加起来是9个。因为我们没有看过超过3个维度以上的情况,所以其他6个必须是被卷起来或者紧化的。有很多方法来实现这种紧致化,这也最终导致了弦理论的发展:存在于多元宇宙中的大量不同的理论。

问题不止于此。超弦理论确实包含了引力,但不是正常的引力类型。它是引力加上大量额外的场,即所谓的模场。这些场可能是可观测的,但我们没有看过。因此,如果想继续相信超弦,必须阻止这些场制造麻烦。有很多方法可以做到,但这又增加了一点复杂性。

然后是宇宙常数的问题。超弦理论在一个宇宙常数是负的时空中,即反德西特空间,它运用起来没有任何问题。不幸的是,我们没有生活在这样的空间里。我们知道我们宇宙中的宇宙常数是正的。当天体物理学家测量宇宙常数并发现它是正数时,弦理论学家为他们的理论做了另一个修正,以得到正确的迹象。即使在弦理论学家中,这种修正也不受欢迎,无论如何,它都必须添加另一种专门结构以使理论发挥作用。

最后,有一个问题是,要求多大程度的数学一致性才会告诉我们关于真实世界的开始?即使超弦理论是一种统一广义相对论和量子力学的方法,它也不是唯一,如果没有实验测试,我们就不知道哪一种是正确的方法。目前,发展得最好有竞争力的方法是渐近的安全引力,它既不需要超对称也不需要额外的维度。

撇开超弦理论是否可将已知的基本力结合起来,它可能还有其他用途。弦理论与标准模型的量子场论有许多数学联系,一些人认为,规范引力对应可以应用于凝聚态物理中。然而,在这些应用中,弦理论的应用程度最好也只能顺势而为。

以上只是简单的概述。如果想要更多的细节,可以去看Joseph Conlon的著作《为什么选择弦理论?》(Why String Theory)。