原標(biāo)題：夢(mèng)一般的弦理論，卻是個(gè)噩夢(mèng)

    弦理論也許是當(dāng)今所有科學(xué)中最有爭(zhēng)議的大概念。一方面，它是一個(gè)數(shù)學(xué)上令人信服的框架，它提供了將標(biāo)準(zhǔn)模型與廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來的潛力，提供了對(duì)引力的量描述，并提供了關(guān)于我們?nèi)绾慰创麄€(gè)宇宙的深刻見解。另一方面，它的預(yù)測(cè)在地圖上到處都是，在實(shí)踐中是不穩(wěn)定的，并且需要大量的假設(shè)，而這些假設(shè)又沒有大量的科學(xué)證據(jù)支持。

圖注：弦景觀可能是一個(gè)充滿理論潛力的迷人的想法，但它不能解釋為什么像宇宙學(xué)常數(shù)、初始膨脹率或總能量密度這樣的微調(diào)參數(shù)的值具有它們所具有的值。盡管如此，了解這個(gè)值為什么會(huì)出現(xiàn)在它所做的特定值上是一個(gè)微調(diào)問題，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)問題有一個(gè)物理動(dòng)機(jī)的答案。也許在過去的35年里，弦理論一直是理論粒子物理學(xué)中的主要思想，它產(chǎn)生的科學(xué)論文比任何其他想法都多。然而，它甚至還沒有產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)試的預(yù)測(cè)，導(dǎo)致許多人譴責(zé)，它甚至還沒有上升到科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。弦理論是整個(gè)理論物理學(xué)史上最好的思想之一，也是我們最大的失望之一。

圖注：當(dāng)一個(gè)介子，如這里所示的一個(gè)魅力-反魅力粒子，其兩個(gè)組成粒子被拉得太大時(shí)，它在能量上有利于從真空中撕裂一個(gè)新的（輕的）夸克/反夸克對(duì)，并在以前有一個(gè)介子的地方產(chǎn)生兩個(gè)介子。這不是一個(gè)成功的創(chuàng)造自由夸克的方法，但這一認(rèn)識(shí)確實(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)相互作用的弦模型故事開始于20世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)粒子加速器剛剛進(jìn)入鼎盛時(shí)期。

    在20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子后，開始建造更大、更有能量的粒子加速器，導(dǎo)致一系列新的粒子產(chǎn)生于相互碰撞帶電粒子到其他帶電粒子中。新發(fā)現(xiàn)的粒子有三種類型：

    重子，像質(zhì)子、中子和它們較重的表親，反重子，像反質(zhì)子，反中子，和更重的重子，它們與重子的比例是1:1，介子，有各種各樣的質(zhì)量和生命期，但都是不穩(wěn)定的，很快就衰變了。但有一件有趣的事情需要注意的是，介子在衰變之前就像棒磁鐵。如果你摔斷一個(gè)棒磁鐵（北極和南極），你并不會(huì)得到一個(gè)獨(dú)立的北極和南極，而是兩個(gè)磁鐵，每個(gè)都有自己的北極和南極。同樣，如果你試圖把一個(gè)介子拉開，它最終會(huì)“折斷”，在這個(gè)過程中產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的介子。

圖注：磁力線，如條形磁鐵所示：一個(gè)磁偶極子，南北極結(jié)合在一起。這些永磁體即使在任何外部磁場(chǎng)消失后仍保持磁化狀態(tài)。如果你把一塊磁棒一分為二，它不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)孤立的南北極，而是兩個(gè)新的磁鐵，每個(gè)都有自己的南北極。介子以類似的方式“折斷”。這就是弦理論最初的起源：作為強(qiáng)核相互作用的弦模型。如果你把介子想象成弦，那么把它拉開會(huì)增加弦的張力，直到你達(dá)到一個(gè)臨界時(shí)刻，產(chǎn)生兩個(gè)新的介子。基于這個(gè)原因，弦模型很有趣，但它預(yù)測(cè)了一些看起來與現(xiàn)實(shí)不符的奇怪現(xiàn)象，如自旋2玻色子（這是未觀察到），事實(shí)，自旋1狀態(tài)不會(huì)變得大規(guī)模對(duì)稱中斷（即，沒有希格斯機(jī)制），需要 10 或 26 維。

    后來發(fā)現(xiàn)了漸近自由的思想，量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）理論應(yīng)運(yùn)而生，弦模型不再受歡迎。QCD在沒有這些病理學(xué)的情況下非常好地描述了強(qiáng)核力和相互作用，這個(gè)想法被放棄了?，F(xiàn)在已經(jīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)模型不需要這個(gè)新的、深?yuàn)W的、同時(shí)也是毫無作用的框架。

圖注：在高能（對(duì)應(yīng)于小距離）下，強(qiáng)力的相互作用強(qiáng)度降為零。在很遠(yuǎn)的距離，它會(huì)迅速增加。這一思想被稱為“漸近自由”，已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明是非常精確的。但大約十年后，這一思想被重新注入了現(xiàn)在所稱的現(xiàn)代弦理論。與其在核相互作用很重要的能量尺度下工作，不如把能量尺度一直延伸到普朗克能量，在普朗克能量下，毫無意義的自旋-2粒子現(xiàn)在可以扮演引力子的角色：負(fù)責(zé)量子引力理論的理論受力粒子。自旋1粒子可能是光子，其他激發(fā)態(tài)可能與已知的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子有關(guān)。

    突然間，在這個(gè)新的框架下，一個(gè)長期追尋的夢(mèng)想似乎觸手可及。一方面，弦理論突然使粒子和相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型與廣義相對(duì)論相一致成為可能。通過把每一個(gè)基本粒子看作是以特定的、獨(dú)特的頻率振動(dòng)的開弦或閉弦，而把自然界的基本常數(shù)看作弦理論中真空的各種狀態(tài)，物理學(xué)家們最終可以希望把所有的基本力統(tǒng)一起來。

圖注：費(fèi)曼圖（上圖）基于點(diǎn)粒子及其相互作用。將它們轉(zhuǎn)換成弦理論的類似物（底部）會(huì)產(chǎn)生具有非平凡曲率的曲面。在弦理論中，所有的粒子都是一個(gè)基本結(jié)構(gòu)的不同振動(dòng)模式：弦。但你從弦理論中得到的并不是這么簡(jiǎn)單。你不會(huì)簡(jiǎn)單地得到標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論，而是更大、更宏大的東西，包含了標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對(duì)論，還有更多。

    首先，弦理論并不是簡(jiǎn)單地將標(biāo)準(zhǔn)模型作為它的低能極限，而是一種被稱為N=4超對(duì)稱楊-米爾斯理論的規(guī)范理論。通常，您聽到的超對(duì)稱涉及標(biāo)準(zhǔn)模型中存在的每個(gè)粒子的超對(duì)稱粒子，這是N=1超對(duì)稱的一個(gè)示例。弦理論，即使是在低能極限下，也需要比這更大的對(duì)稱度，這意味著對(duì)超對(duì)稱粒子的低能預(yù)測(cè)應(yīng)該出現(xiàn)。事實(shí)上，即使在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能量下，我們也發(fā)現(xiàn)了0個(gè)超對(duì)稱粒子，這對(duì)弦理論來說是一個(gè)巨大的失望。

圖注：標(biāo)準(zhǔn)模型粒子及其超對(duì)稱對(duì)稱粒子。這些粒子中略低于50%被發(fā)現(xiàn)，而略多于50%的粒子從未顯示出它們存在的痕跡。超對(duì)稱是一個(gè)希望改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型的想法，但它尚未對(duì)宇宙做出成功的預(yù)測(cè)，試圖取代主流理論。如果能量沒有超對(duì)稱性，弦理論肯定是錯(cuò)誤的。另一方面，弦理論，即使是在“只有”10維的情況下，也不會(huì)給你廣義相對(duì)論作為你的引力理論，而是一個(gè)10維布蘭斯-迪克（Brans-Dicke）引力理論。你可以從中得到廣義相對(duì)論，但前提是你把布蘭斯-迪克（Brans-Dicke）引力理論耦合常數(shù)（ω）取到無窮大，并且以某種方式從關(guān)聯(lián)中去掉6個(gè)維度。

    如果你聽過在弦理論中使用的“緊化”這個(gè)詞，這就是它的含義：一個(gè)手勢(shì)暗示，不知何故，這些額外的維度和額外的參數(shù)（ω）變得不重要。弦理論本身并沒有提供一個(gè)令人信服的方法來擺脫這些額外的維度或使布蘭斯-迪克參數(shù)不重要。這一定不重要；布蘭斯和迪克提出的原始工作表明，一個(gè)ω約為5可能很有趣；現(xiàn)代相對(duì)論測(cè)試表明，一個(gè)ω必須大于10000左右。

圖注：Calabi-Yau流形的二維投影，是緊化弦理論多余維數(shù)的一種常用方法。馬爾達(dá)契納猜想認(rèn)為反德西特空間在數(shù)學(xué)上與一維共形場(chǎng)理論是對(duì)偶的。這可能與我們宇宙的物理學(xué)。弦理論也沒有告訴你基本常數(shù)應(yīng)該有什么值，因?yàn)樗鼪]有提供具體的方法來計(jì)算這些產(chǎn)生基本常數(shù)的字弦真空。這包括c(光速)，h(普朗克常數(shù))，G(引力常數(shù))，力的耦合常數(shù)，基本粒子的質(zhì)量，夸克和中微子的混合角，以及宇宙學(xué)常數(shù)。弦理論沒有提供計(jì)算這些基本值的線索。

    然而，弦理論的潛力提供了一個(gè)可能的引力量子理論吸引了大多數(shù)理論物理學(xué)家，由于缺乏可靠的替代理論，這一領(lǐng)域一直存在。盡管存在四種量子引力選擇：

    環(huán)量子引力，漸近安全引力，因果動(dòng)態(tài)三角剖分，熵引力，只有弦理論提供了一條通往圣杯的正確道路，在那里所有的標(biāo)準(zhǔn)模型都與引力統(tǒng)一。

圖注：宇宙的膨脹是加速還是減速，不僅取決于宇宙的能量密度（ρ），而且還取決于各種能量成分的壓力（p）。對(duì)于暗能量這種壓力很大且為負(fù)的物質(zhì)，宇宙會(huì)隨著時(shí)間的推移而加速，而不是減速。弦理論，需要反德西特空間，預(yù)測(cè)一個(gè)錯(cuò)誤符號(hào)的宇宙常數(shù)，以匹配我們對(duì)暗能量的觀測(cè)。然而，這個(gè)領(lǐng)域充滿了問題。上述的N=4超對(duì)稱楊-米爾斯理論和高維空間中的弦之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是弦理論中最大的理論突破之一，然而它對(duì)應(yīng)的“空間”是反德西特空間（AdS），它用錯(cuò)誤的指示牌（相反是負(fù)的）預(yù)測(cè)宇宙常數(shù)（積極的），以贊同我們對(duì)宇宙的觀察。

    弦理論為黑洞熵問題提供了許多見解，但許多人認(rèn)為，這些觀點(diǎn)大多被夸大了，我們對(duì)黑洞熵的理解不如我們所宣稱的那樣好。當(dāng)你看到那些已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的介子質(zhì)量的顯式預(yù)測(cè)時(shí)，通過晶格技術(shù)，它們與觀測(cè)值的差別在于，它們的數(shù)量對(duì)于任何其他理論來說都是一個(gè)破壞因素。

圖注：在左側(cè)，許多觀測(cè)到的介子和量子態(tài)的實(shí)際質(zhì)量與在弦理論中使用晶格技術(shù)對(duì)這些質(zhì)量的各種預(yù)測(cè)相比。觀測(cè)和計(jì)算之間的不匹配是弦理論家要解釋的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。盡管如此，還是有很多人被這一理論的數(shù)學(xué)魅力所吸引。它將量子場(chǎng)論、超對(duì)稱、大統(tǒng)一理論、超引力、超維和廣義相對(duì)論的概念整合在一個(gè)單一的框架中。最初，有許多不同的弦理論被提出，但是數(shù)學(xué)上的進(jìn)步表明，它們都是等價(jià)的，或者說是對(duì)偶的。

    然而，每一次我們尋找一個(gè)可能與弦理論有關(guān)的可觀察到的東西，在它超越標(biāo)準(zhǔn)模型的意義上，我們得出空。宇宙常數(shù)是錯(cuò)誤的指示牌，超對(duì)稱粒子無處可尋，額外維度或非無限布蘭斯-迪克參數(shù)沒有證據(jù)支持它們?；境?shù)，以及存在于我們宇宙中的粒子的質(zhì)量，還沒有被成功預(yù)測(cè)。

圖注：我們今天所看到的力、粒子和相互作用都是一個(gè)整體理論的表現(xiàn)，這個(gè)觀點(diǎn)很有吸引力，需要額外的維度和大量新的粒子和相互作用。弦理論中甚至沒有一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的預(yù)測(cè)，再加上它甚至無法對(duì)已知值的參數(shù)給出正確的答案，這是這個(gè)聰明想法的一個(gè)巨大缺陷。正如許多人所見，問題在于弦論是一個(gè)非常好的想法，人們很難放棄好的想法，無論他們的追求多么徒勞。盡管它不是一個(gè)強(qiáng)相互作用的理論，但它提供了可能成為現(xiàn)代物理學(xué)圣杯的萌芽：一個(gè)將廣義相對(duì)論與標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)一起來的量子引力理論。

    只要我們沒有證據(jù)證明弦理論一定是錯(cuò)的，人們就會(huì)繼續(xù)追求它。但要反駁這一點(diǎn)，就需要像證明普朗克尺度范圍內(nèi)沒有超粒子存在一樣的東西，這是今天實(shí)驗(yàn)物理學(xué)所無法企及的。

    我們都同意弦理論對(duì)于它所持有的可能性是有趣的。然而，這些可能性對(duì)我們的宇宙是否相關(guān)或有意義，是科學(xué)尚未肯定的。