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弦理论是理论物理学史上辉煌的思想之一,也是我们最失望思想之一

弦理论也许是当今所有科学中最有争议的大概念。一方面,它是一个数学上令人信服的框架,它具有将标准模型与广义相对论统一起来的潜力,提供了对引力量子的化描述,并提供了关于我们如何看待整个宇宙的深刻见解。另一方面,它的预测在地图上到处都是,在实践中是不稳定的,并且需要大量的假设,而这些假设又没有大量的科学证据支持。

弦理论是理论物理学史上辉煌的思想之一,也是我们最失望思想之一
  • 图注:弦景观可能是一个充满理论潜力的迷人的想法,但它不能解释为什么像宇宙学常数、初始膨胀率或总能量密度这样的微调参数的值具有它们所具有的值。尽管如此,了解这个值为什么会出现在它所做的特定值上是一个微调问题,大多数科学家认为这个问题有一个物理动机的答案。

也许在过去的35年里,弦理论一直是理论粒子物理学中的主要思想,它产生的科学论文比任何其他想法都多。然而,它甚至还没有产生一个可测试的预测,导致许多人谴责,它甚至还没有上升到科学的标准。弦理论是整个理论物理学史上辉煌的思想之一,也是我们最失望思想之一,既是现代物理学的梦,也是现代物理学的噩梦。

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  • 图注:当一个介子,如这里所示的一个魅力-反魅力粒子,其两个组成粒子被拉得太大时,它在能量上有利于从真空中撕裂一个新的(轻的)夸克/反夸克对,并在以前有一个介子的地方产生两个介子。这不是一个成功的创造自由夸克的方法,但这一认识确实产生了强相互作用的弦模型

故事开始于20世纪60年代末,当时粒子加速器刚刚进入鼎盛时期。在20世纪50年代发现反质子后,开始建造更大、更有能量的粒子加速器,导致一系列新的粒子产生于相互碰撞带电粒子到其他带电粒子中。新发现的粒子有三种类型:

  • 重子,像质子、中子和它们较重的表亲,
  • 反重子,像反质子,反中子,和更重的重子,它们与重子的比例是1:1,
  • 介子,有各种各样的质量和生命期,但都是不稳定的,很快就衰变了。

但有一件有趣的事情需要注意的是,介子在衰变之前就像棒磁铁。如果你摔断一个棒磁铁(北极和南极),你并不会得到一个独立的北极和南极,而是两个磁铁,每个都有自己的北极和南极。同样,如果你试图把一个介子拉开,它最终会“折断”,在这个过程中产生两个独立的介子。

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  • 图注:磁力线,如条形磁铁所示:一个磁偶极子,南北极结合在一起。这些永磁体即使在任何外部磁场消失后仍保持磁化状态。如果你把一块磁棒一分为二,它不会产生一个孤立的南北极,而是两个新的磁铁,每个都有自己的南北极。介子以类似的方式“折断”。

这就是弦理论最初的起源:作为强核相互作用的弦模型。如果你把介子想象成弦,那么把它拉开会增加弦的张力,直到你达到一个临界时刻,产生两个新的介子。基于这个原因,弦模型很有趣,但它预测了一些看起来与现实不符的奇怪现象,如自旋2玻色子(这是未观察到),事实,自旋1状态不会变得大规模对称中断(即,没有希格斯机制),需要 10 或 26 维。

后来发现了渐近自由的思想,量子色动力学(QCD)理论应运而生,弦模型不再受欢迎。QCD在没有这些病理学的情况下非常好地描述了强核力和相互作用,这个想法被放弃了。现在已经完成的标准模型不需要这个新的、深奥的、同时也是毫无作用的框架。

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  • 图注:在高能(对应于小距离)下,强力的相互作用强度降为零。在很远的距离,它会迅速增加。这一思想被称为“渐近自由”,已经被实验证明是非常精确的。

但大约十年后,这一思想被重新注入了现在所称的现代弦理论。与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,毫无意义的自旋-2粒子现在可以扮演引力子的角色:负责量子引力理论的理论受力粒子。自旋1粒子可能是光子,其他激发态可能与已知的标准模型粒子有关。

突然间,在这个新的框架下,一个长期追寻的梦想似乎触手可及。一方面,弦理论突然使粒子和相互作用的标准模型与广义相对论相一致成为可能。通过把每一个基本粒子看作是以特定的、独特的频率振动的开弦或闭弦,而把自然界的基本常数看作弦理论中真空的各种状态,物理学家们最终可以希望把所有的基本力统一起来。

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  • 图注:费曼图(上图)基于点粒子及其相互作用。将它们转换成弦理论的类似物(底部)会产生具有非平凡曲率的曲面。在弦理论中,所有的粒子都是一个基本结构的不同振动模式:弦。

但你从弦理论中得到的并不是这么简单。你不会简单地得到标准模型和广义相对论,而是更大、更宏大的东西,包含了标准模型和广义相对论,还有更多。

首先,弦理论并不是简单地将标准模型作为它的低能极限,而是一种被称为N=4超对称杨-米尔斯理论的规范理论。通常,您听到的超对称涉及标准模型中存在的每个粒子的超对称粒子,这是N=1超对称的一个示例。弦理论,即使是在低能极限下,也需要比这更大的对称度,这意味着对超对称粒子的低能预测应该出现。事实上,即使在大型强子对撞机的能量下,我们也发现了0个超对称粒子,这对弦理论来说是一个巨大的失望。

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  • 图注:标准模型粒子及其超对称对称粒子。这些粒子中略低于50%被发现,而略多于50%的粒子从未显示出它们存在的痕迹。超对称是一个希望改进标准模型的想法,但它尚未对宇宙做出成功的预测,试图取代主流理论。如果能量没有超对称性,弦理论肯定是错误的。

另一方面,弦理论,即使是在“只有”10维的情况下,也不会给你广义相对论作为你的引力理论,而是一个10维布兰斯-迪克(Brans-Dicke)引力理论。你可以从中得到广义相对论,但前提是你把布兰斯-迪克(Brans-Dicke)引力理论耦合常数(ω)取到无穷大,并且以某种方式从关联中去掉6个维度。

如果你听过在弦理论中使用的“紧化”这个词,这就是它的含义:一个手势暗示,不知何故,这些额外的维度和额外的参数(ω)变得不重要。弦理论本身并没有提供一个令人信服的方法来摆脱这些额外的维度或使布兰斯-迪克参数不重要。这一定不重要;布兰斯和迪克提出的原始工作表明,一个ω约为5可能很有趣;现代相对论测试表明,一个ω必须大于10000左右。

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  • 图注:Calabi-Yau流形的二维投影,是紧化弦理论多余维数的一种常用方法。马尔达契纳猜想认为反德西特空间在数学上与一维共形场理论是对偶的。这可能与我们宇宙的物理学不相关。

弦理论也没有告诉你基本常数应该有什么值,因为它没有提供具体的方法来计算这些产生基本常数的字弦真空。这包括c(光速),h(普朗克常数),G(引力常数),力的耦合常数,基本粒子的质量,夸克和中微子的混合角,以及宇宙学常数。弦理论没有提供计算这些基本值的线索。

然而,弦理论的潜力提供了一个可能的引力量子理论吸引了大多数理论物理学家,由于缺乏可靠的替代理论,这一领域一直存在。尽管存在四种量子引力选择:

  • 环量子引力,
  • 渐近安全引力,
  • 因果动态三角剖分,
  • 熵引力,

只有弦理论提供了一条通往圣杯的正确道路,在那里所有的标准模型都与引力统一。

弦理论是理论物理学史上辉煌的思想之一,也是我们最失望思想之一
  • 图注:宇宙的膨胀是加速还是减速,不仅取决于宇宙的能量密度(ρ),而且还取决于各种能量成分的压力(p)。对于暗能量这种压力很大且为负的物质,宇宙会随着时间的推移而加速,而不是减速。弦理论,需要反德西特空间,预测一个错误符号的宇宙常数,以匹配我们对暗能量的观测。

然而,这个领域充满了问题。上述的N=4超对称杨-米尔斯理论和高维空间中的弦之间的对应关系是弦理论中最大的理论突破之一,然而它对应的“空间”是反德西特空间(AdS),它用错误的指示牌(相反是负的)预测宇宙常数(积极的),以赞同我们对宇宙的观察。

弦理论为黑洞熵问题提供了许多见解,但许多人认为,这些观点大多被夸大了,我们对黑洞熵的理解不如我们所宣称的那样好。当你看到那些已经被发现的介子质量的显式预测时,通过晶格技术,它们与观测值的差别在于,它们的数量对于任何其他理论来说都是一个破坏因素。

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  • 图注:在左侧,许多观测到的介子和量子态的实际质量与在弦理论中使用晶格技术对这些质量的各种预测相比。观测和计算之间的不匹配是弦理论家要解释的一个巨大挑战。

尽管如此,还是有很多人被这一理论的数学魅力所吸引。它将量子场论、超对称、大统一理论、超引力、超维和广义相对论的概念整合在一个单一的框架中。最初,有许多不同的弦理论被提出,但是数学上的进步表明,它们都是等价的,或者说是对偶的。

然而,每一次我们寻找一个可能与弦理论有关的可观察到的东西,在它超越标准模型的意义上,我们得出空。宇宙常数是错误的指示牌,超对称粒子无处可寻,额外维度或非无限布兰斯-迪克参数没有证据支持它们。基本常数,以及存在于我们宇宙中的粒子的质量,还没有被成功预测。

弦理论是理论物理学史上辉煌的思想之一,也是我们最失望思想之一
  • 图注:我们今天所看到的力、粒子和相互作用都是一个整体理论的表现,这个观点很有吸引力,需要额外的维度和大量新的粒子和相互作用。弦理论中甚至没有一个经过验证的预测,再加上它甚至无法对已知值的参数给出正确的答案,这是这个聪明想法的一个巨大缺陷。

正如许多人所见,问题在于弦论是一个非常好的想法,人们很难放弃好的想法,无论他们的追求多么徒劳。尽管它不是一个强相互作用的理论,但它提供了可能成为现代物理学圣杯的萌芽:一个将广义相对论与标准模型统一起来的量子引力理论。

只要我们没有证据证明弦理论一定是错的,人们就会继续追求它。但要反驳这一点,就需要像证明普朗克尺度范围内没有超粒子存在一样的东西,这是今天实验物理学所无法企及的。

我们都同意弦理论对于它所持有的可能性是有趣的。然而,这些可能性对我们的宇宙是否相关或有意义,是科学尚未肯定的。

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