吉他可以彈奏出美妙的音樂,弦理論是否可以彈出浩渺的宇宙

2021-01-17 李論科學

弦理論誕生於一種嘗試,即更好地把握構成粒子物理「標準模式」的粒子集合的激增。標準模式反映了20世紀60年代和70年代這一時期的成果。當時,由於在對撞機試驗和宇宙射線中發現的粒子越來越多,粒子公園似乎正在失控。

粒子大爆發,讓科學家頭疼的問題

在標準模式中,與物質相關的粒子有12種(六種夸克;輕子,其中包括電子、介子、T介子、三種中微子),外加五種玻色子、力的載體粒子(電磁力的光子,弱核力的W+、W-和Zo粒子,強核力的膠子)。然後就是一些奇怪的粒子,其中包括作為另一種玻色子的引力子,假定引力被量子化了;假定的希格斯粒子,被認為要為一些質量負責。接下來,所有與物質相關的粒子都有反物質粒子,使情況變得甚至更加令科學家頭疼。

於是,儘管標準模式明顯簡單化了(因為很多為人熟知的粒子是由夸克構成的),但它仍然是一個複雜集合,登記的粒子約有30種。弦理論一舉劈開了這種由一些醜陋的親戚組成的複雜集合,只留下一種基本的組成部分。這聽起來非常吸引人。情況怎樣才能比那更簡單呢?弦理論認為,那些粒子中的每一種都並非它貌似的東西,只不過是看待一種更基本的實體的一種不同方式。每種粒子都隱藏著一種變色龍似的物體,這種物體設法留下了一種印象,即它是經由它移動的路線的別的一切東西。這種物體被稱作弦。

弦理論預言的高維度空間

這不是字面意義、客觀存在的弦,而是一種貫穿其不同振動的一維物體,既是閉合的圈又是開放的弦,產生了不同的粒子,數學家和數學物理學家喜歡他們的數學中的「優雅」和「美」。正如通過不同的振動方式一把小提琴或吉他上的弦可以產生不同的音調,粒子弦可以通過不同的振動方式產生不同的粒子。這種優雅的簡單性的代價是雙重的。首先,支撐它的數學極其複雜。其次,只有存在9種空間維度,再加上時間,它才管用。這9種維度呈現的不只是怎樣設想這麼多維度的問題,它們還導致了弦理論痴迷者面臨的最大問題,由此也產生了一套豐富的解答。

說真的,「豐富」都不足以形容它。此外,正如物理學家馬丁·波喬瓦爾德所指出的那樣,弦理論其實是一種不折不扣的萬物理論,因為萬物(和任何物)都可以在它裡面發生。弦理論也許顯然是錯的,因為不存在9種空間維度。按照弦理論,除了我們熟悉的三種維度,我們還可以預計與上述三種維度都成直角的第四種維度,與以前四種維度成直角的第五種維度,等等。弦理論家承認,除了那三種維度,我們再也看不見其他維度。但是,他們通過暗示解釋,其他空間維度蜷縮得太小了,我們無法發現它。

無法被現實檢驗的理論

與億萬解答完全不同的是,弦理論有五個主要變體。這些變體至少已經被合併成了一種名為M理論的單一方法(根據那些牽扯其中的人的觀點,沒人能夠完全確定M代表什麼)。與合併的各種弦理論相比,M理論繪製了一幅甚至更為豐富的圖畫。為了完整地描述現實,它需要10種空間維度。在其11種維度的時空視野中,基本單位是膜。膜可以像弦那樣擁有一維的形式,但也可以擁有很多維度。

在M理論中,我們的宇宙是一個三維的膜,漂浮在十維的空間裡。這個十維空間引發了一些關於作為整體的宇宙的有趣的、可能的理論。就像弦理論那樣,M理論提供了大量的解答,卻沒有可以檢驗的預言。正如英國物理學家保羅·戴維斯(PauDavies)所評價的那樣「(複雜性和缺少預言)沒有給弦/M理論家留下多少現實檢驗」。

總結一下:這一事業究竟會止於何處,全憑小夥伴們猜了。也許弦/M理論家的確偶然發現了科學的聖杯。如果真是那樣的話,那我們就真的接近上帝了。亦或許,他們全都迷失在了烏有之鄉」

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