告訴你一個真實的弦理論
作者：李春生丨#一隻大象x西風歪馬#
引言：一個小寓言
大山裡的一個家庭最值錢的財產是家裡養的一隻動物。這隻動物是什麼呢？家庭成員們卻有不同看法。
公公說：這是一隻神奇的鹿。 婆婆說：這是一匹矯健的馬。 兒媳婦說：啥呀！就是一頭蠢驢。 兒子無奈地說：其實，就是一頭豬而已。
現狀
我們生存在同一個宇宙，卻有經典物理學、相對論、量子力學和弦理論4套互不相容的理論體系。沒有一個理論能夠達到自洽解釋宇宙所有未解之謎的終極理論的標準，這意味著現有的理論都不完備！無一例外！
邏輯一致性（Logical Consistency）
兩個相互矛盾的陳述不能同時為真，真相只有一個；語用一致性（Pragmatic Consistency）即結論不能與真實世界矛盾。每一個理論應是一個完整的邏輯體系，邏輯鏈條必須完整自洽，不能有邏輯矛盾和漏洞。問題是，那些理論可以達到這個標準？
如何走出這個困局呢？
回顧：矛盾的焦點
了解現代物理學發展史的同學都知道，300多年來，物理學爭論的焦點是光（量子）是粒子（粒子說）還是波（波動說），空間是充滿了物質還是空無一物的真空。事實上，這兩個問題是一個問題，如果光是振動的波，那麼，波必須要有振動的媒質；如果光是實實在在的粒子，空間必須是空無一物的真空。問題是，如果空間由以太或其他物質構成，星體在太空中運行時為什麼沒有明顯的阻力呢？如果光是實實在在的粒子，為什麼光存在波長和振動的頻率呢？如果宇宙空間由任何物質構成，光將因為空間阻力而無法保持恆定的速度。這是一個看似無解的問題。粒子說和波動說為此爭論了300多年，經歷了3次波粒之爭。
第一次波粒之爭，笛卡爾、胡克和惠更斯的波動說失敗，牛頓的粒子說獲得勝利。
第二次波粒之爭，託馬斯·楊、馬呂斯、菲涅耳和麥克斯韋的波動說大獲全勝，經典電動力學由此建立。
第三次波粒之爭由麥可遜——莫雷實驗引起，該實驗在大氣層內並沒有發現在不同的方向，光的傳播方向和速度會受到影響，即地球的公轉和自轉運動並沒有與空間發生相對運動。當時的人們認為實驗證明了空間裡不存在以太這種物質。麻煩來了，沒有波的振動媒介，波是無法憑空波動的。
於是，愛因斯坦來了。
愛因斯坦認為，既然空間裡空無一物的真空，那光可能是粒子。於是，粒子說全線反攻，建立在空無一物的真空基礎上的量子論（後來發展成量子力學）和相對論橫空出世。
但是，託馬斯·楊的雙縫幹涉實驗揭示出光（量子）是一種振動的波，這個事實根本無法迴避。
波動說和粒子說都能解釋一些問題。
粒子說可以自洽地解決所有的問題嗎？不能！
波動說可以自洽地解決所有的問題嗎？也不能！
怎麼辦呢？
客觀世界需要合理解釋，需要有人來打破這個不確定的僵局。
於是，玻爾來了。
玻爾認為，既然波動性與粒子性不會在同一次測量中出現，二者在描述量子時是互相排斥的；但是，二者不會同時出現也說明二者不會在實驗中直接衝突。而二者在描述微觀現象和解釋實驗時又是缺一不可的。因此，玻爾認為，波動說和粒子說只能是「互補的」，或者「並協的」。這就是互補原理，也稱為並協原理。
這是一個折中方案，是一個各方都皆大歡喜的結果，大家都不要再爭了。量子既是實實在在的粒子，也是振動的波。這就是波粒二象性。從此以後，粒子學家們可以巧妙地迴避量子力學為什麼不使用粒子說的矩陣力學方程這個問題，可以理直氣壯的用老對手波動說的波動力學方程——普朗克常數和波函數來描述他們心中實實在在的粒子。光、電和亞原子粒子這些量子都具有波粒二象性。從此「天下太平」。
但是，問題是，問題解決了嗎？
一個簡單的問題是，量子如何同時穿過雙縫幹涉實驗中的兩條狹縫呢？
為了解決這個問題，物理學家們先後構建了哥本哈根詮釋、路徑求和解釋、平行宇宙理論、多維度解釋、超級大腦解釋、多歷史解釋和GRW自發定域理論。但是，明眼人會發現，這些理論或解釋都是基於粒子說的解釋，都在努力解釋一個粒子如何同時穿過兩條狹縫。結果，粒子學家們在一個粒子是穿越左縫還是右縫這個問題上一籌莫展，更無法自洽地解釋實驗中屏幕上的幹涉條紋了。
兩條狹縫都讓粒子學家們掉光了頭髮，那面對客觀現實中無數條狹縫時怎麼辦？我們知道，一個偏光太陽鏡上面都有10萬條狹縫，一個光子可以同時穿過10萬條狹縫同時到達我們的眼睛，這可是實實在在的在智慧生物的觀測下的同時穿越。還有，這些理論和解釋均無法自洽地解釋實驗中幹涉條紋的形成原理。
還有，如果客觀現實中不存在電磁波的振動媒介，那又何必承認量子存在波動性而提出波粒二象性呢？直接保留粒子性問題不是更少嗎？
事實上，粒子學家們雖然聲稱量子具有波粒二象性，但是實際上只是把量子看成是實實在在的粒子。這又陷入到粒子說的陷阱，根本無法自洽地解釋簡單的雙縫幹涉實驗，更不談解釋其他更複雜的客觀現象了。
量子力學構建了一個異常複雜的粒子標準模型來描述微觀世界，根據這些粒子模型，構成宇宙的基本物質是一點、一點的沒有內部結構的點粒子。宇宙中所有的基本作用力都由不同的信使粒子——玻色子（也稱為傳播子）來傳遞，但是，這些傳遞基本作用力的玻色子在自然界中並不存在，它們只在粒子加速器的碰撞中轉瞬即逝。麻煩的是，本應無處不在的引力子即使在實驗中也沒有發現。
量子是什麼？是粒子？還是波？現有的答案都無法自洽。
我們知道，物理理論為自洽解釋客觀世界而存在，我們不能假裝已經找到最終答案！
終於，有人起來「革命」了。
橫空出世
有一個簡單的道理，如果現有的理論是正確的，這個理論可以自洽地解釋宇宙存在的所有問題，那麼，物理學也就終結了，這就是所謂的終極理論。但是，如果不斷有完全不同的理論出現，則意味著現有理論並沒有解決所有的問題。正所謂，有需求，才會有供給。有問題，才會尋找解決的方法。
當今的「Black Lives Matter」是一種正治正確，物理界也有一個「科學正確」，即現有的物理理論不容質疑。誰敢說某某理論是錯誤的？誰敢說波粒二象性是錯誤的？面對這種情況，人們只能創建新的理論來解決現有理論無法解決的問題。
為什麼量子具有振動的頻率和波長呢？粒子如何產生振動的頻率，如何描述波長這種現象？量子是實實在在的粒子還是振動的波？如果量子具有波粒二象性，那麼，量子什麼時候是粒子，什麼時候是波？波和粒子如何轉換？既然粒子說、波動說和波粒二象性都無法自洽地解釋複雜的客觀現象，那麼量子是否是一種不需要振動的媒質卻有「與生俱來」的振動頻率和波長的物質呢？
既然現有的理論無法合理自洽地解釋客觀世界，那麼，人類自然要尋找一種合理自洽解釋和理論。於是，一種被稱之為弦理論的新理論橫空出世了。我們知道，這既是一種偶然，也是一種必然。
1968年，在瑞士日內瓦的歐洲加速器實驗室工作的義大利理論物理學家維加布裡爾·維尼齊亞諾偶然發現歐拉β函數可以描述一維的複雜曲線，他認為這個古老的方程可以描述核子中強相互作用力的性質。
我們知道，按照粒子標準模型，原子核內的強相互作用力是構成強子的夸克之間通過交換一些被稱為膠子的玻色子——規範粒子場傳遞的作用力。很多人認為除了引力，其他三種基本作用力的秘密已經找到。問題是，強子間交換膠子產生的是排斥力而不是相互吸引力。如果物質的引力、強作用力、弱作用力和電磁力都是交換不同的玻色子來傳遞，那麼，宇宙空間和原子核中將充滿這些所謂的傳播子（誰來指揮「交通」呢？），但是，為什麼這些傳播子在自然界卻並不存在呢？為什麼它們只在實驗中轉瞬即逝呢？具有獨立思考能力的學者是不可能接受這些根本無法自洽的解釋。如果現有的思路存在問題，那麼，正確的解決方法是什麼呢？
維尼齊亞諾的發現立即引起了對處於困境狀態的理論物理學家們的注意，人們仿佛看到了希望之光，真可謂是久旱逢雨露。首先響應的物理學家是美國物理學家蘇士侃，他發現歐拉的方程可以描述一種波動，類似於琴弦的震動，可以描述粒子（量子）的一些振動。量子不是量子力學所認為的點粒子，而是一種琴弦一樣的振動。
蘇士侃的「發現」可謂是石破驚天，吸引了更多的學者加入到這項研究中來。1970年，芝加哥大學的南部陽一郎和玻爾研究所的尼爾森得出結論[B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科學技術出版社，2007年，第 137頁］：經過深入細緻的研究，他們發現該方程實際上描述了一種類似弦的粒子的行為（而不是之前所認為的點粒子），這種弦不僅可以伸長和收縮，還可以震動和搖擺。如果用小小的一維的振動的弦來模擬基本粒子，那麼，它們的核的相互作用就能精確地用歐拉函數來描寫。他們論證後得出結論，如果這些弦足夠小，那麼它們看起來就像一粒點粒子。
弦理論由此建立。
根據弦理論［B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科學技術出版社，2007年，第136頁~144頁]：宇宙的基本構成要素不是點粒子，而是有點像細橡皮筋的上下振動的一堆絲線。不過，別讓這個名字給騙了，它不是像一根普通的弦，本身也是由分子和原子構成；弦理論的弦被認為是深藏在物質核心裡的。根據弦理論，弦是構成原子的粒子的超微觀組成元。弦理論的弦小的可憐，平均大約是普朗克長度的尺寸。所以即使我們用最靈敏的儀器來檢查，它們看起來也像點一樣……弦是真正基本的東西---是「原子」，是古希臘人本來的意義上，也就是不可分的基元……弦就是弦，沒有比它更基本的東西，所以不能把它描寫成有別的任何物質組成的東西……共振是那些峰谷正好在弦的兩個端點間張開的波動模式……弦理論中的弦也有類似性質，在這裡，弦可能產生的共振模式是在它的空間範圍內恰當展開的峰和谷。像琴弦的不同振動模式奏響不同樂音那樣，一根基本弦的不同振動模式生成了不同的質量和力荷……依照弦理論，一個基本「粒子」的性質---它的質量和不同的力荷——是由它內部的弦產生的精確的共振模式決定的。弦與粒子質量的關聯很容易理解。弦的某個振動模式的能量取決於它的振幅（峰谷的最大相對位移）和波長（相鄰兩個峰或谷之間的距離），振幅大的和波長小的，能量較大……大能量意味著大質量，大質量也就是大能量。質量較大的粒子所具有的弦振動較劇烈，質量小的粒子所具有的弦振動較輕柔。
弦理論（以及它的升級版超弦理論）的基本觀點是：光子、電子、亞原子粒子和自然界的基本單元不是沒有結構的點粒子，而是很小、線狀的、類似於細橡皮筋一樣振動的弦。弦的不同振動模式產生出各種不同的基本粒子和不同的力荷。
問題和不足
弦理論存在的問題［B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科學技術出版社，2007年，第 137~138頁］
1.它只簡單描述了標量玻色子，沒有將費米子引入框架內；
2.沒有包含一般量子場論中的規範對稱性；
3.即當研究它的『質量譜』時候發現，它的真空態是一組質量平方小於零的不穩定快子。
嚴格上講，在相對論中，『快子』被允許存在，只要它的速度永遠不低於光速。真正的麻煩在於，如果這種『快子』被引入到量子場論，那麼真空中就不再是最低能量態了，也就是說，連真空也變得不穩定，它必將衰變成別的東西，這與量子場論產生了嚴重衝突。
弦理論學家們認為，如果弦理論是對的，那麼他們希望超對稱性也是對的。弦理論的標新立異的思路激發了眾人的熱情，一時間出現了眾多的弦理論。
雖然描述強作用力的弦理論直觀、簡單，也令人滿意，但不久人們發現它也存在許多的問題。弦理論所根據的『粒子模型』卻遇到一些無法解釋的問題。比如，在靠近粒子的地方引力會增加至無限大。20世紀70年代初，高能實驗已經能探索更深層的亞原子世界，實驗表明，弦理論學模型預言的某個數直接與觀測結果相矛盾：物理學家們發現一個弦理論的問題是它似乎管得太多了，這個理論中振動的弦的圖像具有類膠子的性質。這一點證實了它原來是一個強力理論的宣言，但是，除了這些它還包含著多餘的信使粒子似乎與強力的任何實驗觀測都不相干。
因此，早期的弦理論也稱為玻色弦理論，因為早期的弦只能描述玻色子。按照粒子標準模型，構成物質的粒子——費米子具有1/2自旋。早期弦理論的弦只能描述整數自旋的振動模式，而沒有半整數的自旋振動模式，即早期的弦無法描述費米子的振動模式。如果用弦理論要成為一個描述微觀世界的理論，必須能夠描述所有的基本作用力和物質（玻色子和費米子），即包含費米子的振動模式。
因為弦理論的弦具有波長和頻率等波動特性，個人認為，可以把弦看作是一種「波動模型」。德布羅意和薛丁格的「物質波」是將轉瞬即逝的電磁波「物質化」的初次嘗試（失敗了），而弦理論在將電磁波物質化的路上走的更遠，也更徹底。弦理論不僅把電磁波變成一種「實實在在」的物質，更是「改頭換面」以便「暗渡陳倉」。弦理論的弦是一種特殊「物質」，弦具有波動性，又具有粒子性，因此，弦能夠解釋粒子說理論無法解釋的波長和頻率問題。同時，又迴避了電磁波的概念，解釋了波動說理論無法解釋的物質「實在性」問題。
問題來了，弦理論的弦雖然具有電磁波的形，有波長和振動頻率，但卻沒有電磁波的「魂」，即不能解釋電磁波的幹涉、衍射和偏振現象（量子力學的點粒子更無法解釋），並且電磁波譜非常寬，哪些譜段的電磁波「看起來」像一個粒子呢？
更讓人難以理解的是，弦理論要求時空結構是26個維度，而我們的空間結構是3個維度。相對論增加了一維時間而成為四維時空結構（事實上，大多數人都不明白四維時空的內涵，僅僅把四維時空理解為一種具有時間動態的錄像片）。現在突然跳出來一個26維時空，大多數人無法理解這些「多餘」的維度，到哪裡去尋找這些「看不見摸不著」的維度呢？
現在最大的問題是這個解決量子力學的問題的方法本身成了一個新問題。由於一時找不到解決新問題的方法，弦理論也「前路茫茫」，人們對這個新理論的熱情開始消退，弦理論為很多人所拋棄。但是，弦理論並沒有徹底失敗，它只是暫時沉寂。馬上，它就會煥發新的生命力，一躍成為終極理論的最佳「種子選手」。
需要反思的是，我們身處在同一個宇宙，只需要一個能夠自洽解釋這個宇宙的理論，即終極理論。我們不能堅信一些理論完全正確，同時又為解釋同一事物的新理論歡呼叫好。我們永遠不能忘記，真理只有一個，觀點尖銳對立的理論只有一個是唯一正確的理論，不能公說公有理婆說婆有理大家說的都對。智慧從懷疑開始，真正的科學精神是懷疑與批判。終極理論不會是一個全新的理論，它就藏在現有的理論之中，當我們以客觀邏輯為工具，就能在錯綜複雜的觀點中找出宇宙真實的脈絡。
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尤瓦爾·赫拉利在2017年年9月13日俠客島對其的採訪中指出[http://m.kdnet.net/share-12412205.html?from=groupmessage]：尊重知識、聽取學者意見很好，但發展到崇拜任何人的程度都很危險，包括崇拜學者。一個人一旦被推崇為先知或權威，他（她）自己都可能信以為真，進而變得驕傲自大，甚至陷入瘋狂。對追隨者而言，一旦他們信奉某人為權威，便會自我設限，停止努力，只期待著偶像來告訴他們全部問題的答案和解決方法。即使答案是錯誤的、方法是糟糕的，他們也會通盤接受。
先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點後來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。
《一隻大象—體系與體系的對話》參考及引用
1.[美]約翰·格裡賓（John Gribbin）：《尋找薛丁格的貓》，海南出版社，2009年2月第2版，ISBN978-7-80645-813-62.[奧]E·薛丁格（Erwin Schrdinger）：《薛丁格講演錄》，北京大學出版社，2007年10月第1版。2013年10月第10次印刷3.[美]利昂·萊德曼（Leon Lederman），迪克·泰雷西（Dick Teresi）：《上帝粒子》，上海科技教育出版社，2003年12月第1版4.[美]愛因斯坦（Albert．Einstein）：《狹義與廣義相對論淺說》，北京大學出版社，2006年1月第1版5.[[美]B·格林（Brian R Greene）：《宇宙的琴弦》，湖南科學技術出版社，2007年4月第3版，ISBN978-7-5357-3270-56.[中]趙凱華、鍾錫華：《光學》（上冊），北京大學出版社，1984年1月第1版，2011年10月第20次印刷，ISBN978-7-301-3/O.0257.[英]牛頓（Sir Isaac Newton）：《自然哲學之數學原理》，北京大學出版社，2006年1月第1版，2014年4月第15次印刷8.[英]彼得·柯文尼（Peter Coveney），羅傑·海菲爾德（Roger Highfield）：《時間之箭》，湖南科學技術出版社，2008年3月第2版第15次印刷9.[美]S·溫伯格（Steven Weinberg）：《終極理論之夢》，湖南科學技術出版社，2007年3月第2版第3次印刷10. [美]倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）：《黑洞戰爭》，湖南科學技術出版社，2010年11月第1版第1次印刷11. [英]史蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）：《時間簡史》，湖南科學技術出版社，2014年6月第1版第28次印刷12.[美]基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne）：《黑洞與時間彎曲》，湖南科學技術出版社，2010年第2版第10次印刷13.[美]卡洛林·皮特森（Carolyn Collins Petersen），約翰·布蘭特（John C.Brandt）：《從哈勃看宇宙》，海南出版社，2004年1月第1版，ISBN 7-5443-0710-7/P.314.[意]伽利略（（Galileo Galilei））：《兩大世界體系的對話》，北京大學出版社，2006年4月第1版，2013年2月第5次印刷15.曹天元，《上帝擲骰子嗎？：量子物理史話》，北京聯合出版公司出版。2013年9月第一版，2014年12月第七次印刷。ISBN-978-5502-1745-416. ［英］保羅·戴維斯（Paul Davies），朱利·安布朗（J.R.Brown），《原子中的幽靈》，湖南科學技術出版社。2018年1月第1版。ISBN978-5357-9533-517.［布魯斯·羅森布魯姆，弗雷德·庫特納，《量子之謎》，湖南科學技術出版社，2016年］