泠泠十一弦

( 布莱恩·格林和他的作品《优雅的宇宙》 )

理论物理学的历史上之前从没有什么理论像弦论这样让这么多人痴迷，同时也让很多人怀疑。有人认为它其来有自，是一个足以解释全宇宙的伟大理论，美妙至极，终生投身其间；也有人对此嗤之以鼻，认为它“连错误都算不上”，只是一个看上去很美的数学形式而已。无论如何，几十年里，弦论始终拨动着所有物理学家们心中最细微的那根弦，那就是物理学家们的梦想——大统一。

在基础物理学中，我们已经有了量子力学和完备的基本粒子模型描述微观世界：3种粒子由4种力聚合在一起——强相互作用、弱相互作用和电磁力都可以由基本粒子模型得到解释，还有一种力被孤立在一旁，这就是引力。很多科学家希望把引力纳入量子力学的范畴之内，也就是所谓的量子引力，却总是难以如愿。引力由另外一个显得有些孤零零的理论所解释，这即是爱因斯坦的广义相对论。与量子力学和基本粒子模型恰恰相反，广义相对论描述的是最宏观的宇宙，它描述由物质质量引起的宇宙时空的扭曲。至此，人们掌握的物理理论已经可以颇为准确地描述世界：小到普朗克长度，构成物质的基本粒子，大到整个宇宙的边缘，我们都能够找到恰当的理论去描述。但这还远不是物理学家们高兴的时候，对自然的探索还未结束。人们想知道，为什么微观粒子模型由3种基本粒子构成？为什么我们的宇宙时空是四维的而不是三维或者五维？人们需要明白其根源，需要了解宇宙的起源。更麻烦的是，描述微观物理的量子力学与描述宏观物理的广义相对论存在着根深蒂固的矛盾。量子力学描述的微观空间，是一个颇不平静的景象：真空是不存在的，能量可以从虚无中产生和消灭。广义相对论描述的却恰恰是一个平滑的时空模型。两种理论各自据守着微观和宏观领域，量子力学与广义相对论的矛盾被称为是物理学的“中心矛盾”。科学家们却发现并且发展了一种理论，或者说是一种数学形式，可以把两者统一起来，这就是至今仍然令人激动不已的弦论。

弦论的发现颇有些妙手偶得的味道。1968年，在欧洲核子中心（CERN）工作的意大利物理学家加布里埃尔·韦内齐亚诺（Gabriel Veneziano）在研究粒子强相互作用的时候，据说是“不小心”翻出了将近200年前的欧拉公式，并把它运用到了粒子物理学中，结果他发现，这个古老的公式竟然能很好地描述基本粒子的强相互作用。这个发现很快就被来自不同地方的3个科学家同时证明，它描述的是在极小弦上震动的能量。这个想法改变了人们对基本粒子的认识。在几何学中，最基本的单元是点，但是在韦内齐亚诺的理论中，在几何里最基本的单元是一个个极微小的震动的弦，而弦不同的状态（封闭或是开放）和震动方式就构成了不同的基本粒子。

这个新生理论很快就遇到了麻烦。人们发现，根据这个理论的数学形式，要想同时满足量子力学和广义相对论，承载质量的费米子要由十维空间的弦构成，承载能量的玻色子要由二十六维空间的弦构成。我们知道自己生活在三维空间加上一维时间的四维时空中，但是二十六维是个什么玩意儿则怎么也想不明白。人们也很快就对这个玄之又玄的理论失去了兴趣，同样喜新厌旧的科学家们被超对称理论吸引了过去，因为超对称理论很容易就可以融入到标准粒子模型中去。但是在20世纪80年代，两位锲而不舍的科学家——来自英国伦敦大学玛丽女王学院的迈克尔·格林（Michael Green）和来自美国加州理工学院的约翰·舒瓦茨（John Schwarz）发表了他们10多年来的研究成果。他们结合了超对称理论与弦理论，证明弦理论可以涵盖4种基本作用力和宇宙间的一切物质，甚至连人们苦苦寻找的引力子也被包含其中，基于超对称理论的超弦理论诞生了。在1984到1986这3年间，数以千计的有关超弦理论的论文发表出来。人们发现，通过超弦理论，基本粒子模型可以自然地被推导出来，这3年被称为超弦理论的第一次“革命”。自此，超弦成为理论物理学中最令人兴奋的理论，凭借这个形式可以解释从基本粒子到宇宙边缘其间相差60个数量级的尺度中的物理现象，而量子力学中的不确定性也可以认为是弦在不同纬度之间的扰动产生的。至于为什么我们生活在四维时空，超弦理论解释说，在宇宙大爆炸的开端，整个宇宙在比一个基本粒子还小的状态下大爆炸，其中的4个维度展开，其余的维度都蜷缩在极小的尺度上而不被人所察觉。此时的超弦理论由一个传奇故事开始，衍生出了5种不同的理论，5种超弦理论都在数学上无可挑剔，一切看上去很美。

故事还在继续。在1995年美国南加州大学举办的弦论会议上，美国数学家爱德华·威顿（Edward Witten）运用高超的数学手段向弦论学家们证明，5种超弦理论都只是在不同极端状态下的不同表达而已，可以把这5种理论统一起来形成一种更普通的超弦理论。在这个理论中，一切物质都是由十一维的弦构成的，每一个费米子都对应一种玻色子。这个理论不仅描述了宇宙大爆炸最早期的形态（在当时高温、高密度的状态下，一切现有的物理定律都不适用），还完美地描述了质量极大体积极小的黑洞理论。这个发现毫无疑问地震动了整个物理学界，研究超弦理论的科学家们认为，他们终于掌握了描述整个宇宙的终极理论，这也被认为是弦论的第二次“革命”。而这个理论的发明者爱德华·威顿命名它为M理论，虽然连他自己都不知道为什么要取这个名字，但是毫无疑问，M理论象征着物理学家们的梦想——大统一。

对于弦论的批评却也从来没有中断过，其中以理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼的批评最为中肯。他认为，对于一个理论物理学家而言，最重要的是“能够尽快证明自己是错误的”，这也正是物理学与数学的主要区别，因为物理学描述的是一个客观世界，任何物理理论都应该能够被实验所证实或者证伪。弦论正是缺乏这样一种至关重要的品质，它只是一个数学结构，甚至没有任何的物理学公式，当人们认为在某个方面弦论可能行不通时，弦论学家们却认为还有别的可能使弦论成立。费曼不喜欢弦论学家们从来不去做实验，而只是沉迷于美妙的数学架构（这并非是因为弦论学家们懒惰，而是压根儿没有什么实验能够验证弦论是否正确）。2004年因研究量子色动力学获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家戴维·格罗斯（David Gross）在剑桥大学做关于基础物理学发展的报告中重点介绍了弦论，他也表示出自己的迷惑：弦论中并没有描述时间，而物理学本身就是一门预测未来的科学；没有了时间观念的物理学是否还算是物理学，世界的意义何在，他也弄不明白。

1999年，哥伦比亚大学的物理学家布莱恩·格林（Brian Greene）出版了一本描述弦论的畅销书《优雅的宇宙》（The Elegent），英国广播电台（BBC）甚至马上制作了3集同名的纪录片来讲述弦论。在这部纪录片对弦论学家们的访谈中，弦论学家对这个理论的主要信心大多来自其美妙的数学形式，这也正反映出他们的世界观：整个宇宙是完整的，在数学形式上是美的。然而，一个优雅的物理理论往往具有优雅的数学形式，但一个优美的数学形式却未必可以描述客观世界。在欧洲核子中心的大型重子对撞机（LHC）实验中，并没有观测到超弦理论描述的微型黑洞。更重要的是，超对称理论预言的各种超粒子至今也没有找到，尽管实验还要持续到2012年底。但是现在很多物理学家认为这已经证明了超对称理论并不成立——如果超对称理论不成立，那么建立之上的超弦理论自然也就难以成立。

不只是弦论学家们，大众也希望真的可以证明超弦理论就是这个可以解释一切的“万能理论”，人们迫切地需要证据。在2011年LHC的一份报告中说，LHC的实验“可能可以辨别不同版本的弦理论，甚至可以判断这个理论是否在正确的方向上”，这句话甚至被误认为是弦理论的某些预言已经被实验证实。英国的《星期日泰晤士报》今年5月8日报道的新闻标题是《准备好，我们也许很快进入一个新宇宙》（Stand by，we may soon enter a new universe），但是与希望的相反，除了超对称理论受到强烈怀疑，至今也没有任何实验支持弦理论。

一切都还没有结束，弦理论仍然使很多数学家和物理学家着迷，但是它的发展历程也已经足以让科学家们意识到，完美的形式和统一的理论固然令人着迷，却未必可以用来描述我们生活于其中的这个宇宙。也许东方智慧对于完美更有些不同的理解，残破未必不是完美，“乃是应不全之奥妙也，岂人力所能与耶！”■

（感谢黄钟女士为本文收集整理背景资料做出的努力）（文 / 苗千） 基本粒子弦理论科学科普物理十一弦宇宙弦广义相对论数学