革命之后
1984年,正值“超弦革命”的高峰时期,当时我正在哈佛大学读研究生。我很快就发现,初出茅庐的物理学家面临着两种选择:要么跟威滕和格罗斯从事弦理论,他们那时都在普林斯顿大学;要么在乔治和格拉肖的学院做粒子物理学家,与实验结果保持密切联系,他们都在哈佛大学。对相同问题感兴趣的物理学家如此格格不入,真让人难以置信,但两个阵营对怎样进行研究的确有很大的分歧。
哈佛大学的热点仍旧是粒子物理,那里的许多物理学家严重排斥弦理论。粒子物理和宇宙学的许多问题仍旧未找到答案,在陷入弦理论可能的数学雷区之前,我们为什么不先解决这些问题?物理学家能接受把物理学延伸到不可探测的领域吗?有这么多杰出的物理学家,还有许多振奋人心的观点,都告诉我该怎样使用更为传统的方法来超越粒子物理的标准模型,我没有理由跳转阵营。
但是,在别的地方,物理学家却深信有关超弦理论的所有问题很快都将解决,而未来(以及当今)物理必然是弦理论的天下。超弦理论初登舞台,许多人认为只要投入足够的人力和时间,弦理论最终会得出与已知物理一致的结果。在1985年有关杂化弦理论的论文里,格罗斯和他的同事写道:“虽然还有许多工作要做,但要从杂化弦理论得出所有已知物理的结果似乎并无不可逾越的障碍。”弦理论志在成为终极理论,普林斯顿冲在最前沿。那里的物理学家深信弦理论就是通往未来的道路,整个系的粒子物理学家无一不投入到弦理论研究中——如今这仍是普林斯顿有待改正的一个错误。
而今,我们不好说弦理论面临的障碍是否是“不可逾越”,但它肯定是极富挑战的。许多主要的未解问题仍未找到答案,物理学家和数学家迄今所创立的方法还不足以应对弦理论的这些未解问题,我们似乎需要一个新的数学机制或一个新的基本途径来解决它们。
乔·波尔钦斯基在他被广泛使用的弦理论教科书里写道:“就其宏大结构来讲,弦理论就如真实世界一样。”在某些方面它确实如此:弦理论包括了标准模型的粒子和力,当其他维度卷曲时,还可以缩减至四维。但是,尽管有诱人的证据表明弦理论能兼容标准模型,但寻找标准模型的理想候选者的计划在历经20年的探索之后仍然遥遥无期。
物理学家原本希望弦理论能对我们世界的本质作出一个独特的预言,一个为我们的可见世界量身打造的预言。但现在弦理论可以产生许多可能的模型,每一模型都含有不同的作用力、不同的维度及不同的粒子组合,我们想找到与可见世界恰好相符的那一个以及为什么是那一个,而现在没人知道该选择哪种。总之,没有一个看上去完全正确。
例如,卡拉比-丘紧化空间能够决定基本粒子有几代,其中一种可能就是标准模型的三代,但没有一个唯一的、无可争议的卡拉比-丘候选者。尽管弦理论学者最初希望卡拉比-丘能够选出一个共同认可的形状和一个唯一的物理定律,但他们很快就失望了。斯特罗明格对我讲过他如何在一个星期内找到一种卡拉比-丘紧化,并认为它是唯一的。但他的同事加里·霍洛维茨又发现了其他几个候选者,后来斯特罗明格从丘成桐处得知,卡拉比-丘流形有成千上万个类型。现在我们知道建立在卡拉比-丘空间基础之上的弦理论可以含有几百代。那么,究竟哪一个卡拉比-丘流形才是正确的呢?如果正确,又为什么正确?虽然我们知道弦理论的一些维度一定是卷曲的或看不见的,弦理论学家还是有必要确定一个原则,告诉我们卷曲维度的大小和形状。
弦理论不仅仅包含波沿着弦的多次振动而产生的新重弦粒子,它还包含一些低质量的粒子。如果它们存在且如弦理论预言的那么轻,我们应该可以认为实验是能够探测到它们的。
许多以弦理论为基础建立起来的模型都包含了比我们在低能量实验观察到的更多的轻粒子和作用力,但我们尚不明了哪些才是正确的。
要使弦理论与我们的现实世界对应起来,的确是一个非常复杂的问题,我们必须弄清楚,由弦理论得出的引力、粒子和作用力为什么应该与我们世界里已知正确的东西相一致?但这些关于粒子、作用力和维度的问题,与对宇宙能量密度的过高估计问题相比,就是小巫见大巫了。
宇宙即使没有粒子也可以拥有能量,叫做真空能量。根据广义相对论,这种能量有一个物理结果:它会使空间产生伸缩。正的真空能量会加速宇宙的膨胀,而负能量则使它坍缩。爱因斯坦在1917年首先提出这一能量,目的是给广义相对论方程找到一个恰当的解,在这一方程里,真空能量的引力作用会与物质的引力作用相抵消。尽管由于多种原因,其中包括爱德温·哈勃在1929年观测到的宇宙膨胀,爱因斯坦不得不放弃了这一观点,但却无法从理论上证明这种真空能量在我们宇宙中不该存在。
事实上,天文学家最近在我们的宇宙中测量了真空能量,并发现了一个很小的正值(它也称做暗能量或宇宙学常数),他们发现,遥远的超新星比我们预期的更为黯淡,除非它们在加速离开。超新星测量以及对大爆炸期间产生的遗留光子的深入观察告诉我们:宇宙在加速膨胀,这是真空能量有一个很小正值的证据。
这一测量是令人振奋的,但它也引出了一个更为重要的谜题:加速非常缓慢,这告诉我们虽然真空能量的值不等于零,却极其微小。测得真空能量的理论问题是,它远远小于人们的估计。根据弦理论估测,能量应该要大得多,如果真是那样,这一能量导致的就不仅仅是难以估量的超新星加速。如果真空能量很大,宇宙可能早就坍塌了(若是负值),或者会很快膨胀至虚无(倘若是正值)。
宇宙的真空能量为什么会这么小?而我们知道它必须这么小。对此,弦理论必须给出解释,而粒子物理也没有答案。但是,与弦理论不同的是,粒子物理没有意图要成为一个量子引力理论——它远没有那么雄心勃勃。不能解释能量的粒子物理模型最多是不尽如人意,而弦理论如果将能量搞错却会被排除。
能量密度何以如此微小,这是一个全然无解的问题。有的物理学家认为,对此不会有一个真正的解释。尽管弦理论是一个独立的理论,只有一个参量——振动弦的张力,弦理论家还是不能用它预言宇宙的大多数特征。大多数的物理理论会包含一些原理,它们允许你确定在众多可能的物理结构中,这一理论会实际预测哪一种。例如,大多数系统最终都安顿下来,归于有着最低能量的结构。但这一标准似乎并不适用于弦理论,它看上去会产生无限多个具有不同真空能量的不同构形——而我们不知道自然偏爱哪一个(如果有的话)。
有些弦理论学家不再试图找到一个唯一理论。他们考察了卷曲维度的可能大小和形状以及宇宙可能含有的不同能量值,然后得出了这样一个结论:弦理论只能够画出一个大致景象,它描述了我们生活的众多可能的宇宙。这些弦理论学家认为弦不会预言一个唯一的真空能量,他们认为宇宙里有着许多互不相联的区域,有着不同的真空能量值,而我们就生活在含有恰当值的这一部分。在众多可能的宇宙里,只有能产生结构的那个才能够(且实际)
容纳我们。那些物理学家认为,我们生存的这个世界其真空能量值令人这么不可思议,是因为任何更大的值都会妨碍星系和宇宙结构的形成——也就不可能有我们。这一推理有一名称:人择原理。
人择原理大大地偏离了最初弦理论要预言宇宙所有特征的目标,它告诉我们不必对小能量值作出解释,宇宙里存在着许多互不相联的区域,有着多种真空能量值,但我们只生存在那为数不多的能形成结构的一个里。这一宇宙的能量值异乎寻常地小,只有极特别形式的弦理论才能预言这么小的值,但我们只能存在于这样有着极小能量的宇宙。这一原理很可能被未来的成果推翻,或可能被更深入的研究所证实,但不幸的是,它很难(甚至不可能)被验证。如果人择原理是一个世界的答案,这一图景显然是令人失望的,我们不会满足于此。
无论是何种情形,弦理论就其现在的发展状态,肯定不能预言我们世界的特征,即便从其根本形式来讲这是一个独立的理论。我们需再次面对这一问题:怎样把一个完美对称的理论与我们世界的客观现实联系起来?最简单的理论阐述太过对称:许多维度、许多粒子及许多作用力,我们明知它们一定是不同的,看起来却有着同等的地位。为了与标准模型、与我们的可见世界相联系,这一秩序必须被打乱。对称破缺之后,根据哪一对称产生了破缺、哪些粒子变重、哪些维度使它们彼此区分,这一单独的理论又呈现出多种不同的形式。
弦理论似乎是一套设计精良却并不合身的衣服,就其目前的状态,你只能把它挂在衣架上,赞叹它精致的做工和细致的纹理——它实在是太美了,但是却无法穿它,除非做必要的修改。我们希望弦理论能够囊括我们对世界的所有了解,但是“老少皆宜,胖瘦兼顾”的尺寸往往对谁都不适合。现在,我们甚至不知道是否有恰当的工具来对弦理论进行适当的裁剪。
因为我们并不真正知道弦理论的含义,将来能否知道我们也无把握。一些物理学家干脆把弦理论定义为能在小距离解决量子力学和广义相对论矛盾的任何理论。当然,大多数的弦理论家相信弦理论和正确的理论就是一回事,或者至少是密切关联的。
但显然还有很多东西需要了解。现在就断言弦理论是描述这一世界的终极理论未免为时过早,或许更为精密的数学工具能使科学家真正理解弦理论,也或许将弦理论的思想用于周围世界积累的物理认识会提供重要的线索。物理学家和数学家迄今所创立的方法还不足以应对弦理论的未解问题,我们似乎需要一个新的、更为根本的工具。
不管怎么说,弦理论是一个引人瞩目的理论。关于引力、维度和量子场理论,它引出了许多重要的见解,它是我们已知的最有希望成为一个自洽的量子引力理论的候选者。而且,弦理论还带来了许多令人难以置信的数学成果,但是,20世纪80年代提出的要将它与世界联系起来的想法还有待实现。我们并不了解弦理论蕴涵的大部分深意。
公平地说,粒子物理的问题也并未得到解答。许多在20世纪80年代的未解问题至今仍没有答案,这些问题包括:对基本粒子质量巨大差异的根源作出解释;找到解决等级问题的正确方法。而且,模型构建者仍在等待实验线索来告诉我们在超越标准模型的众多可能中,哪一个才正确地描述了真实世界,只有等我们探索了TeV以上的能量,才可能确定地回答我们最关心的那些问题。
如今,相比20世纪80年代,弦理论学家和粒子物理学家对于自己的理解水平都有了更为清醒的认识。我们试图解决的是一些困难的问题,它们必然需要耗费时日,而这是些充满了兴奋的时日,尽管有许多未解问题(或许正是由于这许多未解问题),但我们有足够的理由保持乐观态度。现在物理学家对粒子物理和弦理论的结果有了更深的领悟,而那些思想开明的物理学家会从两派所取得的成就中汲取对自己有益的东西,这正是我和我的一些同事所选择的中间立场——而且,它已带来了许多振奋人心的成果,我们很快就将看到。
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