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弦理论是否真能统一量子力学和广义相对论?
2020-06-25

在爱因斯坦亲笔写的《相对论的意义》的序言中,弦论物理学家布莱恩·格林写道,超弦理论成功地将广义相对论和量子力学结合起来。此外,它也把电磁力、强、弱相互作用力包含了进去。

在超弦理论中,每一个力都与弦的不同振动模式有关。因此,正如吉他和弦由四个不同的音符组成一样,四种自然力在超弦音乐理论中是结合在一起的,更重要的是,这适用于所有物质。在超弦理论中,电子、夸克、中微子和所有其他粒子被描述为具有不同振动模式的弦,因此,所有的物质和所有的力都在振动弦的同一描述下组合起来,这就像是一个统一的理论把一切联系起来。

那么,弦理论真实与否有证据吗?弦理论值得研究吗?弦理论能做上述提到的所有事情吗?

超弦理论结合了广义相对论和量子力学,它是否成功,这要看我们所说的成功是什么含义。

格林非常小心谨慎地指出,超弦理论“有能力”去接受引力和其他已知的基本力(例如:电磁力、强弱力)。他的意思是,目前大多数弦理论家认为,超弦理论有一个特定的模型,使得它产生这四种力,这个含糊不清的短语“有能力”是一种共同信念的表达。它掩盖了这样一个事实:没有人能找到一个真正像格林所说的那样的模型。

超弦理论也带来了许多常被忽视的附带后果。首先,这里的“超”并不是强调这个理论有多神奇,而是指出它是超对称的。超对称是一种对称性,它假定标准模型中的所有粒子都有一个伙伴粒子,而这些伴生粒子尚未被发现,但这并不排除超对称性,因为产生这些粒子的能量只能比我们测试的要高。

更糟糕的是,如果将标准模型设为超对称,则所得理论与实验相矛盾。原因是这会改变尚未观察到的中性流,这在上世纪90年代中期就已经很清楚了,因为那是很久以前的事了,现在已经成为一个“众所周知”的问题,没有人会提出。为了保存超对称性和超弦理论,理论家们假设了一个额外的对称性,称为R宇称,它简单地禁止了烦人的过程。

超弦理论的另一个附带结果是,它们需要额外的空间维度,总共有9个。因为我们只接触了3维空间,因此其他6个肯定是被“卷起来”或者说是“紧化”的。实现这种压缩的方法有很多,这最终导致了弦理论的发展:在多元宇宙中存在着大量不同的理论。

问题并不止于此,超弦理论确实包括引力,但它不是我们所说的普通引力,它是引力加上许多额外的场,也即所谓的模场。这些场可以观测到,但我们还没有看到。因此,如果你想继续相信超弦理论,你必须阻止这些场带来麻烦,有很多方法可以做到这一点,但这增加了一点复杂性。

然后是宇宙学常数的问题。超弦理论在宇宙学常数为负的时空,即反德西特空间中的应用是没有问题的,不幸的是,我们没有生活在这样的空间。我们知道宇宙中的宇宙常数是正的,天体物理学家测量宇宙学常数为正时,弦理论家又为了他们自己的理论更改了一下,来得到他们认为正确的。即使在弦理论界,这种修正也不受欢迎,无论如何,它必须添加另一个特殊的结构才能使理论发挥作用。

最后,还有一个问题,需要多少数学一致性才能告诉我们关于真实世界的开始?即使超弦理论是统一广义相对论和量子力学的方法,它也不是唯一的方法,若没有实验测试,我们就不会知道哪种方法是正确的。目前,发展最快、最具竞争力的方法是渐近安全引力法,它既不需要超对称性,也不需要额外的维数。

无论超弦理论是否能结合已知的基本力,它是否可能还有其他用途。弦理论与量子场论的标准模型有许多数学联系,有人认为正则引力对应可以应用于凝聚态物理,然而,在这些应用中,弦理论的应用只能顺势而为。

以上只是一个简短的概述。如果你想要更多的细节,你可以读约瑟夫·康伦的书“Why String Theory”