弦理論可能被驗證嗎?我們又該如何看待對弦理論的批評?

2020-12-03 天文同好樂園

當今在物理學上主要、且唯一有可能成為萬物至理的物理理論是弦理論,這已成為眾多具有前瞻性眼光的物理學家們的公認。但是,反駁的聲音也如影隨形,從沒有停歇過。有反對者曾用諷刺的口吻稱:「要想在頂級大學謀得終身職位,你就必須研究弦理論,如果不這樣,你就會被解僱。」

弦理論誕生於1968年,兩名年輕的博士後加布裡埃爾·韋內齊亞諾和鈴木真彥無意中發現了一個公式,該公式似乎可以描述亞原子粒子的碰撞,很快,人們發現這一偉大的公式可從弦的振動中得出。但該理論到了1974年就逐漸銷聲匿跡了,一個新的理論——量子色動力學,或者稱「夸克間強相互作用」理論橫空出世,使其他理論黯然失色,大隊人馬放棄了弦理論轉而研究量子色動力學。

對於弦理論來說,那是一個黑暗的年代,尤其當人們發現那些「弦」只能在10維和26維中振動時,一些頑強堅持研究弦理論的人被看成是愚昧而頑固不化的「異類」。弦理論的先鋒人物、加州理工學院的約翰·施瓦茨就曾被理察·費曼詼諧而又諷刺地問:「約翰,那麼你今天進入了幾個維度?」諾貝爾獎得主、夸克模型奠基人穆雷·蓋爾曼很同情那些弦理論家,因此在加州理工學院設立了一個「瀕危弦理論家保護區」,從而使得像約翰·施瓦茨這樣的科學家不至於失業。

當今對弦理論最主要的一種批評之聲是——無從驗證,批評家聲稱,需要一個銀河系那麼大的核粒子加速器才能驗證該理論。但是,這種批評忽略了一個事實:大多數科學的研究方式都是間接而非直接的,就像從未有人去太陽上直接考證,但人們通過分析它的光譜線就知道了太陽主要是由氫組成的一樣。

再比如黑洞理論,由約翰·米歇爾於1783年提出,到了1939年,愛因斯坦寫了一篇論文,說明這類天體是無法直接驗證的。直到2019年之前,黑洞存在的證據都是間接獲得的,但2019年4月,人類首次獲得了黑洞的真實影像。還有一個著名的例子就是中微子,1930年,物理學家鮑裡提出了存在中微子,它的行蹤十分詭異,能夠穿過星系、行星而不被吸收。在當時根本無法驗證,所以沒幾個人相信它真的存在。然而今天,物理學家已經能夠製造出中微子束。

上面這些例子也許並不能減弱對弦理論的批評之聲,但事實上,實驗物理學家們正在積極開展對弦理論的間接驗證,有不少實驗都將對弦理論的正確性作出第一次間接驗證,具體為:一,大型強子對撞機(LHC)有可能產生「超粒子」,而這正是超弦理論預測出的弦的高層次顫動;二,LISA(雷射幹涉引力波天文臺)和它的後繼者BBO(大爆炸探測者)也許足夠靈敏,能夠探測到大爆炸發生時產生的引力波殘餘,而這也是弦理論中預言存在的。

三,許多實驗室正在通過分析在微小距離上的「牛頓平方反比定律」的偏差,來探尋高維度的存在(如果存在第四維度空間,那麼重力就應該遵守「立方反比定律」),而弦理論不但預言了高維的存在,它自身也只能在高維中立足。四,許多實驗室正在搜尋暗物質,弦理論對暗物質的物理屬性作出了詳細可靠的預測,認為暗物質可能是弦的另一種高層次顫動,如光微子。

最後,科學家還希望通過一系列的實驗,如通過分析宇宙射線(其能量遠遠超過LHC的能量)的異常,探測出微型黑洞以及其他異類物質的存在,這些也是弦理論中預測可能存在的。相信在不久之後,宇宙射線實驗和LHC實驗,將在量子力學標準模型之外,開闢出一片嶄新的、令人振奮的科學前沿。著名物理學家史蒂芬·霍金生前曾經說過,在下一個20年裡,會有50%的概率發現萬有理論。而弦理論作為唯一一個能夠將愛因斯坦的引力理論和量子理論融合在一起萬有理論,必將迎來新的發展高潮。

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  • 弦理論
    更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下內文會說明。研究員稱D膜的動力學為「矩陣理論」(M理論),是為「M」字來源之一。物理或是哲學在未獲實驗證實之前,弦理論是屬於哲學的範疇,不能完全算是物理學。無法獲得實驗證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理論有足夠的了解而做出正確的預測,另一個則是目前的高速粒子加速器還不夠強大。
  • String Theory 弦理論
    比較起來,「弦理論」的基礎是「波動模型」,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述「弦」狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下文會說明。
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    「對弦理論的創立和形式化表述所作的先驅性貢獻,將新的玻色和費米對稱性引入物理學」。圖|ICTP弦理論被視為現今最有可能成為物理學大統一的理論;但由於缺少實驗實證,弦理論也不斷受到挑戰和質疑。今日,世界頂尖科學家論壇專訪復旦大學物理系研究員、劍橋大學理論物理系博士孔令欣,請她對弦理論做科普性的闡釋。01什麼是弦理論?
  • 十個問題帶你認識弦理論
    三位獲得者分別是Joseph Polchinski,Andrew Strominger 和 Cumrun Vafa,以表彰他們在弦理論及其對黑洞、宇宙的意義方面取得重大突破。雖然弦理論還未獲得實驗驗證,但突破基金會的創始人Yuri Milner表示:「物理學獎是對智力成果的一個肯定,有時候這可能是提出一個很有創見性的問題,並不是只頒發給給出答案的人。這是和諾貝爾獎的一個重要區別。」
  • 如此玄幻的弦理論究竟是什麼?
    根據劍橋大學的說法,這個觀點多年來一直處於邊緣,直到1984年的「弦理論革命」,當時理論家麥可格林和約翰施瓦茲寫出方程式來展示弦如何避免了將粒子描述為點狀物體的模型出現的某些不一致性。但這第一次開花讓研究人員得到了五種不同的解釋一維弦如何在十維現實中振蕩的理論。
  • 神秘的暗物質,未解之謎,那就用弦理論掀開它的面紗吧!
    弦理論由於引入了「膜」的概念,把原來的超弦理論的9維又加了1維,從而變成了10維,得到的結果不僅把五個版本的弦理論統一了,還解決了之前那個超引力理論存在的手徵性問題。於是一套融合了各家理論的一個超級理論就誕生了,就是M理論。
  • 為什麼弦理論不是科學理論?
    定義科學有非常多鍾方法,但也許每個人都可以同意的一個方法是:1.收集有關自然界或特定現象的知識;2.提出了關於該現象的合乎自然規律和物理解釋的可檢驗假設;3.對假設進行檢驗,驗證或推翻它;4.並且構建了一個總體框架或科學理論來解釋該假設
  • 為什麼弦理論不是科學理論
    這一科學過程總是涉及到繼續收集更多的數據,當理論的有效性領域被超越時,繼續提煉或徹底取代假設,以及測試將理論置於進一步的驗證中。這就是科學發展的方式,不管我們是否認識到這一點。日心說取代了地心說,因為它解釋了地心說不能解釋的現象,包括:木星的衛星,金星和火星在不同季節的相和相對大小,還有彗星軌道的周期性。
  • 弦理論到M理論,你知道弦理論的發展軌跡,和弦理論的科學依據嗎
    所以今天美女小倩給大家說一下弦理論,朋友們可以熟悉一下,大家可以加我粉絲一起探討,美女小倩會及時給大家回復,由於個人的才學有限,大家要多多的提出批評意見,我們一起研究科學的方面的話題。所以弦理論幾乎處於一個停滯的階段,這讓科學界對於弦理論是否正確,開始提出了一系列的質疑。隨著科學的不斷發展,重離子和超重力開始出現,此時弦理論終於找到了一些依據。一九八零的時候終於第一個超弦理論模型出現了,這個科學研究帶來了一個新的變化。
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    難道同一種動物既是鹿、又是馬、又是驢嗎? 既生瑜、何生亮。我們需要這麼多種觀點完全不同的量子力學嗎?我們知道,有需求,才有供應。只有在舊有理論無法自洽解釋問題時,才需要構建新的理論。但是,指出舊有理論存在的問題,必然顛覆一些人既有的認知。