弦理論真的能統一廣義相對論和量子力學嗎?

2020-12-05 火星科普

在愛因斯坦撰寫的《相對論的意義》(The Meaning of Relativity)重印版本的前言中,弦理論物理學家布賴恩格林寫道,超弦理論成功地結合了廣義相對論和量子力學。除此之外,它也有能力平等的包含電磁力、弱相互作用力和強相互作用力。

在超弦理論中,每一種力都與弦的不同振動模式相關聯。因此,就像由四種不同音符組成的吉他和弦一樣,自然的四種力量在超弦理論的音樂中結合在一起。更重要的是,這適用於所有物質。在超弦理論中,電子、夸克、中微子以及所有其他粒子都被描述為擁有不同振動模式的弦。因此,所有物質和所有力在振動弦的同一說明下,都結合在一起,這就像一個統一性理論使所有一切統一起來。

那麼,弦理論是否真的有證據嗎?弦理論值得研究麼?弦理論能完成以上提到得所有情況嗎?

超弦理論確實合併了廣義相對論和量子力學。它的成功與否,取決於我們所說的成功意味著什麼。

格林非常謹慎地指出,超弦理論「有能力接受」引力和其他已知的基本力(電磁力、弱力和強力)。他的意思是,大多數弦理論學家目前認為存在一種超弦理論的特定模型,使它產生了這四種力。這個模糊的短語「有能力」是一種共同信念的表達。它掩蓋了這樣一個事實:沒有人能夠找到一個真正像格林所說的那樣的模型。

超弦理論也帶來了許多附帶後果,這些附帶後果經常被忽視。首先,這裡的「超級」不是強調這個理論有多讓人讚嘆,而是指出它是超對稱的。超對稱是一種對稱性,它假定標準模型的所有粒子都有一個夥伴粒子。這些夥伴粒子還沒有被發現。但這並不排除超對稱性,因為產生這些粒子的能量只可能會比我們所測試的更高。不過它確實意味著我們沒有證據表明自然界實現了超對稱性。

更糟糕的是,如果使標準模型超對稱,由此產生的理論與實驗相衝突。原因是這樣做可以改變中性流,而這還未被觀測到。這在20世紀90年代中期就清楚知道了,因為是很久以前的事,現在已經成為沒人會提起的一個「眾所周知」的問題了。為了拯救超對稱性和超弦,理論學家們假定了一種額外的對稱性,叫做R宇稱,它簡單地禁止了令人煩惱的過程。

超弦理論的另一個附帶後果是它們需要額外的空間維度,總共加起來是9個。因為我們沒有看過超過3個維度以上的情況,所以其他6個必須是被捲起來或者緊化的。有很多方法來實現這種緊緻化,這也最終導致了弦理論的發展:存在於多元宇宙中的大量不同的理論。

問題不止於此。超弦理論確實包含了引力,但不是正常的引力類型。它是引力加上大量額外的場,即所謂的模場。這些場可能是可觀測的,但我們沒有看過。因此,如果想繼續相信超弦,必須阻止這些場製造麻煩。有很多方法可以做到,但這又增加了一點複雜性。

然後是宇宙常數的問題。超弦理論在一個宇宙常數是負的時空中,即反德西特空間,它運用起來沒有任何問題。不幸的是,我們沒有生活在這樣的空間裡。我們知道我們宇宙中的宇宙常數是正的。當天體物理學家測量宇宙常數並發現它是正數時,弦理論學家為他們的理論做了另一個修正,以得到正確的跡象。即使在弦理論學家中,這種修正也不受歡迎,無論如何,它都必須添加另一種專門結構以使理論發揮作用。

最後,有一個問題是,要求多大程度的數學一致性才會告訴我們關於真實世界的開始?即使超弦理論是一種統一廣義相對論和量子力學的方法,它也不是唯一,如果沒有實驗測試,我們就不知道哪一種是正確的方法。目前,發展得最好有競爭力的方法是漸近的安全引力,它既不需要超對稱也不需要額外的維度。

撇開超弦理論是否可將已知的基本力結合起來,它可能還有其他用途。弦理論與標準模型的量子場論有許多數學聯繫,一些人認為,規範引力對應可以應用於凝聚態物理中。然而,在這些應用中,弦理論的應用程度最好也只能順勢而為。

以上只是簡單的概述。如果想要更多的細節,可以去看Joseph Conlon的著作《為什麼選擇弦理論?》(Why String Theory?)。

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