旧制度的忍耐力
如果弦理论正确,世界最终由基本的振动弦构成,那么所有粒子物理都要被抛弃了?答案是一声响亮的“不”。弦理论的目标是在小于普朗克长度的尺度协调量子力学和引力,我们相信那是新理论接管的尺度。因此,在传统的弦理论(不同于额外维度模型的变体)里,弦的大小大约应是普朗克长度。这就告诉我们,在传统的弦理论里,粒子物理和弦理论的差异只能出现在微小的普朗克长度,或等价地说,在超高的普朗克能量上,引力应是极其强大的。长度这么小而能量这么高,弦不可能在实验能达到的能量上排除粒子描述。
在低于普朗克能标的能量上,粒子物理实际上就已足够了。如果弦如此微小,无法探测其长度,那么弦也就等同于一个粒子,实验看不出其差别。对我们来说,弦的一维长度就如前面讨论的卷曲额外维度一样是不可见的,除非我们有仪器探知10⁻³³厘米的尺度,这样的弦小得根本看不到。
可以理解,弦理论和粒子物理在可达到的能量上应该是一样的。不确定性原理告诉我们,研究小距离的唯一方法是使用高动量粒子,它们的能量非常高。因此,如果没有足够的能量,就无法辨别是细长的弦还是点状的粒子。
从原则上讲,通过寻找弦理论预言的许多新粒子——对应于弦的多种可能振动而形成的粒子,我们能够找到支持弦理论的证据。这一策略的问题在于,由弦产生的大多数粒子极重,其质量达到了普朗克标度10¹⁹GeV。相比实验已探测到的粒子,这一质量是极为庞大的,而实验测得的粒子最重也就是大约200GeV。
由弦的振动产生的额外粒子之所以这么重,是因为弦的张力非常大。张力即弦对抗拉伸的能力,它决定了弦是否易于振动并产生重粒子。普朗克级能量决定了弦的张力,这个张力是弦理论为重现正确的引力子相互作用强度(由此也就重现了引力本身)所要求的。弦的张力越大,产生振动所需要的能量就越大(这就好比一根较紧的琴弦比一根较松的琴弦更加难以弹拨或更换),这一高能量也等于是由弦产生的额外粒子的大质量。这些普朗克级质量的粒子实在太重,现在(或者,最有可能是未来)运行的粒子实验还不能生成它们。
因此,即便弦理论正确,我们也不大可能找到它预言的许多额外的重粒子。当今实验的能量要低16个数量级,因为额外的粒子这么重,从实验中找到弦的证据的希望非常渺茫,也许我后面讨论的额外维度模型是个例外。
但在大多数的弦理论图景里,因为弦的长度这么小,而张力又这么大,即便弦的描述正确,在加速器能达到的能量上,我们还是不能找到支持弦理论的证据。只注重对实验结果作出预言的粒子物理学家,可以安全地使用传统的四维量子场论,而忽略弦理论,仍能得到正确的结果。只要你所关注的尺度大于10⁻³³厘米(或者,能量低于 10¹⁹GeV),我们以前探讨过的关于粒子物理的低能量结果都不会改变。既然质子的大小是10⁻¹³厘米,而现今加速器能达到的最大能量大约是1 000GeV,那么我们完全可以放心大胆地认为粒子理论的预言就已经足够了。
即使这样,专注于研究低能现象的粒子物理学家也还是有足够的理由关注弦理论。弦理论引入了许多新的数学和物理观点,那是没人会从其他方面想到的,比如膜理论和其他额外维度的观念。即使在四维里,弦理论也开辟了一条道路,让我们对超对称、量子场理论以及量子场理论模型可能包括的力都产生了更为深入的了解。当然,如果弦理论确实能够给出一个十分一致的关于引力的量子力学描述,这项成就将令人肃然起敬。即使对那些只关注实验可测现象的人来说,弦理论的这些益处也使它非常值得探索。尽管我们难以探测到弦(甚至是不可能的),但由弦引发的理论观点也许关系着我们的世界。很快我们将看到,它们会是些什么。
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