一弦定音

Emay

1984年秋天，久負盛名的《物理學快報》上發(fā)表了一篇有關(guān)弦構(gòu)想的文章，接著便以排山倒海之勢掀起了第一波弦革命，全世界數(shù)以千計的物理學家們爭先恐后地放棄了他們手中正在研究的項目，去追逐愛因斯坦畢生的夢想——宇宙統(tǒng)一理論。這是一個全新的領(lǐng)域，充滿生機和希望。

30年后的今天來看得失，究竟弦理論是揭示了宇宙的深層定律，還是如一些批評家們所言，不過是吸引了整整一代物理學家的數(shù)學理論上的海市蜃樓呢？

盡管宇宙統(tǒng)一理論已成為愛因斯坦的代名詞，但是幾個世紀以來該理論一直是現(xiàn)代物理學的研究核心。艾薩克·牛頓通過對石頭滾動軌跡和輪子旋轉(zhuǎn)軌跡的描述，揭示了不僅地球及其他行星在遵循萬有引力定律圍繞太陽公轉(zhuǎn)，而且月球也是遵循同樣的定律圍繞地球轉(zhuǎn)動。200年后，麥克斯韋延續(xù)了這一理論，他用同一數(shù)字形式描述了電場和磁場是同種力的兩種表現(xiàn)。

然后就是愛因斯坦的相對論。愛因斯坦先于1905年提出狹義相對論，他認為時間和空間并不是相互獨立的，運動的物體在時間上的變化會相應(yīng)的導致其尺度上的改變，這是狹義相對論的特點。十年之后，在此基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出了廣義相對論。廣義相對論對掌握一切恒星和星系運動的萬有引力作了極為精辟的闡述。有了這樣的成就，愛因斯坦對自然萬物之間必有統(tǒng)一之力的設(shè)想似乎指日可待。

1930年，尼爾斯·玻爾和一代勇敢的物理學家們對物質(zhì)深層的微觀世界進行探索，發(fā)現(xiàn)了令人迷惑不解的量子力學，一個從根本上全新的物理概念和數(shù)學規(guī)則。量子力學的發(fā)現(xiàn)讓現(xiàn)代物理學完全進入了全新的領(lǐng)域。盡管量子力學對原子和亞原子粒子形態(tài)的預測十分成功，但是，卻完全無法與愛因斯坦對萬有引力的陳述相融洽。廣義相對論用于宏觀大世界，如恒星，星系，以及宇宙本身的膨脹，并且提供了有效的解釋框架;而量子力學卻應(yīng)用于微觀小世界，分子，原子，以及比原子更小的粒子，如電子和夸克，同樣也是精確有效。這兩個理論工具，卻是完全沖突的。物理學家們試圖將這二者融為一體，從而尋找到一個包羅萬象的宇宙定律。半個世紀以來，他們埋頭苦干，卻屢戰(zhàn)屢敗，讓他們沮喪之極。

直到1984年12月，出現(xiàn)了一個轉(zhuǎn)機，美國加州理工大學的約翰·施瓦茨教授和當時還在瑪麗·皇后學院的邁克爾·格林教授發(fā)表了一篇論文，提出弦理論可以克服廣義相對論和量子力學之間在數(shù)學上的對立，因此，可以掃清通往建立宇宙統(tǒng)一理論的障礙。弦統(tǒng)一理論聽起來很誘人，基本原理也簡單。自20世紀初以來，物理學界對組成自然界物體的不可分割粒子（最小粒子）已有基本模式。物質(zhì)的基本組成就是我們熟悉的電子、夸子和中微子，它們就好像是內(nèi)部空空如也的無限小的點。弦理論提出了一個大膽的設(shè)想：每個粒子中心都是一條細小的像弦一樣不停振動的絲。根據(jù)這一理論，弦的振動模式不同會導致質(zhì)量的大小差異，電荷的正負，更不可思議的還有自旋和核性能的不同，而這些差異就是之所以構(gòu)成物質(zhì)的不同的基本粒子的原因。

古希臘的哲人畢達哥拉斯認為宇宙是由音符和旋律構(gòu)成的樂章。弦理論正是以優(yōu)美的數(shù)學模型回應(yīng)了這一猜想。正如大提琴每根弦會彈奏不同的音符一樣，根據(jù)弦理論，細小弦絲的振動模式不同，形成的粒子也不同。一個世紀以來，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一系列的粒子，它們就像不同的音符一樣，構(gòu)成了大自然的和諧樂章。

量子力學假定有一種粒子會把重力從一處傳遞到另一處，叫作“重力子”。令人驚喜的是，借助于數(shù)學運算，科學家發(fā)現(xiàn)其中一些“音符”的特征與假想粒子“重力子”的特征完全吻合。這一發(fā)現(xiàn)引起了整個物理學界的關(guān)注。物理學家首次驗證了萬有引力和量子力學遵從同一游戲規(guī)則，至少在理論上是這樣的。

大家爭先恐后地擠進這個似乎前景無限的新領(lǐng)域，在擁擠的會議室和走廊上，到處都在討論被稱為可能是“終極理論”或“宇宙統(tǒng)一論”的弦理論話題，都在期待著弦理論登上王座的那一天。

開普勒設(shè)想的畢達哥拉斯式的宇宙模型

隨著科學家們關(guān)注的深入，越來越多的人開始質(zhì)疑最簡單也是最重要的問題：弦理論是正確的嗎？數(shù)學能否詮釋我們的宇宙？是不是對每個粒子做檢測，如果你發(fā)現(xiàn)了細小振動的弦，就算大功告成了？不單單是理論上會提出這樣的問題，弦理論的先驅(qū)者們其實已經(jīng)意識到在現(xiàn)實中檢測弦理論的正確與否是行不通的。弦理論對弦的尺度定義非常的小，要檢測到它，就是用世界上最強大的粒子加速器運行一分鐘所產(chǎn)生的能量也不夠，更不要說還需要一個如銀河系般大的對撞機。如果弦是真實存在的，他們也不會乖乖地等著你來探測的。更糟的是研究人員還面臨著一個巨大而又令人費解的數(shù)學上的難題。我們每天生活在三維空間里，可以上下左右前后任意行進。但弦理論定律要求有更多的維度。這一問題將研究人員逼到絕路：是接納有超過三維的多維空間這種完全違背我們認知的假設(shè)，還是放棄弦理論？

20世紀早期，理論物理學家們的一個想法給弦理論帶來了靈感。當時學者們提出了兩類空間維度：一種是大而平展的，就像我們本身生活于其中的空間一樣，另一種是小而緊裹的，小到我們用最精密的儀器也無法觀察到。就好像一個展開的巨大地毯，你一眼看見的是平整的地毯，但蹲下仔細觀看才能看見那縱橫交錯的編織紋路。宇宙存在一個人們可以隨意走動的三維空間，但也可能還有其他維度空間，它們小到以我們目前的技術(shù)還無法看見。1985年新年后的一天，物理學家四人組：菲利普·坎德拉斯、加里·霍洛維茨、安德魯斯·勞明格和愛德華·威廉提交了一篇待發(fā)表的文章，將多維空間的設(shè)想往前推進了一步，他們斷定這些維度是非常小的。這很自然解釋了我們?yōu)槭裁匆恢笨床灰娝鼈儯瑫r也提供了實驗驗證它們的線索。

宇宙可能存在以目前的技術(shù)還難以發(fā)現(xiàn)的其他維度空間。

因為弦太小，所以當它們波動時不僅在大的三維空間波動，同時也在很小的其他維度波動。就像吹圓號，空氣的振動模式不同，發(fā)出聲音就不同，而振動模式是由彎來扭去的樂器的形狀而定的。弦的振動模式也將由它所在的那一維度形狀決定。由于這些振動模式?jīng)Q定著粒子的屬性，如質(zhì)量、電荷正負等等，而這些屬性是可以通過實驗檢測到的。因此，四位物理學家相信，如果你知道那一維度精確的幾何形狀，你就可以預估粒子的屬性，其結(jié)果也可以通過特定實驗觀測到。

對英國牛津大學的博士研究生布萊恩·鮑林來說，求解論文上的方程式就像在靈感的邊緣進行一次難得的數(shù)學之旅。找到多維度空間的幾何形態(tài)就是拿到了隱藏大自然基本構(gòu)成密碼的羅塞塔石碑（羅塞塔石碑是埃及象形文字的解碼石）。1980年代中期，鮑林和他的研究小組開始著手收集弦理論的不同預測。幸運的是，物理學家四人組已按照弦理論的數(shù)學推論劃定了多維空間幾何形態(tài)的范疇——只有屈指可數(shù)的幾種。他們從看起來可能性最大的一種形態(tài)著手，帶著揭示大自然最深層奧秘的偉大想法，開始了夜以繼日的大量的高維幾何的艱苦計算。

最后得出的結(jié)果與粒子物理學上已確定的粒子的多種特性相洽。盡管這離完全證明弦理論還相差很遠，但取得這樣的成績說明他們多年的辛苦是值得的。接下來，他們及其他研究小組又回到劃定的幾何形態(tài)范疇，想要開始對其他可能性進行研究。但是幾年下來，這個范疇已經(jīng)擴大，可能的幾何形態(tài)的數(shù)目已是成千上萬。到1990年中期，喬·普琴斯基率先指出幾何形態(tài)的數(shù)目將會達到無法計數(shù)的地步。面對如此尷尬的局面，選擇什么樣的幾何形態(tài)，弦理論已經(jīng)無法給出建議。維度空間幾何形態(tài)的不同，弦的振動模式就不同，想要從弦理論假設(shè)的幾何形態(tài)中抽取特別個案來作研究的夢想很快破滅！

從公眾角度看，從事弦理論的理論物理學家們對這樣的局面毫無準備。就像一個保證能拿8塊金牌的奧林匹克運動員最后卻只拿到5塊金牌一樣，弦理論物理學家過高地預定了目標。弦理論證明了量子力學和廣義相對論的統(tǒng)一性，其意義深遠。因為粒子和力在各自的定律下運作，能實驗證明其相互關(guān)系，其成功遠遠超過理論上的關(guān)聯(lián)性。但是進一步解釋粒子和力的屬性必然是一個更為遠大的目標，而不是成功與失敗僅隔一線之差那么簡單。雖然，曾經(jīng)對弦理論異軍突起，占據(jù)了理論物理主導地位而怒目相向的批評家們?yōu)橄依碚摰某翜S歡呼雀躍，他們利用這個機會，質(zhì)疑研究人員的誠實，責備他們毫無根據(jù)的斷言并沒能達到早先預期效果。當刺耳的聲音日益高漲之時，弦理論的鼻祖之一，美國斯坦福大學的理論物理學家倫納德·薩斯坎德卻強有力的扭轉(zhuǎn)了這個趨勢。

2003年8月，在瑞典錫格蒂納的一個會議上，薩斯坎德說：但我確實認為這就是弦理論想要告訴我們的。（意思是多維的幾何形體就本該是無以計數(shù)）如果數(shù)學無法給多維空間確定一個特定的幾何形體，那么也許多維空間的幾何形態(tài)就不是單一的。假設(shè)我們有多個宇宙，在此意義上，每一個宇宙的多維空間的幾何形態(tài)都不同，那么所有的幾何形態(tài)都可能是正確的。

這樣說來我們的宇宙就只是浩瀚宇宙群體中小小的一員，每一個宇宙的特性都由它們?nèi)S空間的幾何形態(tài)而定。那么，為什么我們在這個宇宙中而不是在任何其他的一個宇宙中？那么因為未知維度空間的形態(tài)導致的一系列物理特性讓我們得以生存。舉例而言，另一個宇宙維度空間幾何形態(tài)產(chǎn)生的電子可能會重一點或者核力量會弱一點，這樣微小的變化會足以終止量子的各種進程，從而使太陽和恒星無從獲得動力，影響地球生命的形成。

盡管這一想法很偏激，卻得到了宇宙平行發(fā)展論的支持。宇宙平行發(fā)展論認為宇宙大爆炸不是獨特事件，它只是無數(shù)大爆炸事件的一個。而每一個大爆炸就導致一個宇宙的膨脹，這就是多元宇宙。薩斯坎德認為弦理論充滿了浩瀚的無數(shù)宇宙世界中，它用形態(tài)各異的幾何形態(tài)來裝扮每一個宇宙內(nèi)不同的維度。

有無弦理論，多元宇宙都是當之無愧的一個極具爭議的模式。它不僅重鑄現(xiàn)實的景觀，還改變了科學的杠桿。曾經(jīng)被視為深刻且令人百思不得其解的問題：比如為什么大自然給予的數(shù)據(jù)，從粒子質(zhì)量到力的強弱，再到太空中的能量都有著特殊的意義？這些曾經(jīng)令人費解的問題現(xiàn)在已經(jīng)眾所周知。但是過去那些已知的事物屬性不再具有普遍性，而是要由它在宇宙某處所處的維度的特定的形態(tài)而決定。大多數(shù)物理學家，也包括弦理論家，同意多元宇宙是一種不得已的選擇。然而科學史也說服我們不要僅僅因為實驗結(jié)果與我們的期望相悖就輕易放棄我們的想法。否則，我們最成功的量子力學就該早就被扔進垃圾堆了（量子力學描述了我們的現(xiàn)實世界就是無數(shù)的可能性）。正如諾貝爾經(jīng)濟學獎得主史蒂芬·溫伯格說：宇宙不會關(guān)心理論物理學家是高興還是不高興。

而今，大型強子對撞機經(jīng)過近兩年的改進，重新開始工作。質(zhì)子撞擊的力量會比先前增強兩倍。研究人員會使用有史以來世界上最強的探測器，在撞擊粒子后尋找證據(jù)，尋找那些不能與現(xiàn)有“物理標準粒子模型”相符合的粒子。獲得諾貝爾獎的物理學家彼得·希格斯半個世紀前斷言的玻色子就是這樣在大型強子對撞機被送去改進之前找到的。雖然要證明弦的存在，改組后的對撞機仍然太弱，但卻可以為證明弦理論提供一些線索。

基于弦理論高度有序的數(shù)學公式推算，出現(xiàn)一類被稱為“超對稱”的粒子。許多研究員就寄希望于找到這樣的“超對稱”粒子。撞擊產(chǎn)生的其他信息可能會引發(fā)一些額外維度的線索，甚至發(fā)現(xiàn)微型黑洞（一種源于弦理論的在微型范疇內(nèi)存在的黑洞）的一些證據(jù)也不是不可能。

所有這些預測還是不能成為弦理論存在證據(jù)。但這些預測卻被應(yīng)用于其他一系列的理論中。我們積極一點就是要向希格斯玻色子看齊（即發(fā)展弦理論以期獲得諾貝爾獎），謙虛一點說就是在物理學界產(chǎn)生影響，讓天秤偏向弦理論。

根據(jù)目前所發(fā)生的一切事件來看，很有可能即使是大型強子對撞機也尋不到弦的任何蹤跡。

實驗是證明對錯的最后仲裁者，弦理論還無法在試驗中作任何檢測。但是理論的價值卻不能如此評估，還要看它對相關(guān)領(lǐng)域的影響力。弦理論幾十年的理論分析填滿了幾千篇論文，這對整個跨物理和數(shù)學領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大的影響。拿黑洞為例，斯蒂芬·霍金在20世紀70年代發(fā)現(xiàn)了黑洞內(nèi)部的無序現(xiàn)象，而弦理論論證了它可以鑒別黑洞內(nèi)的無序粒子，從而解決這一令人頭痛的難題。

盡管始終還無法將弦理論與實驗相結(jié)合，但弦理論的影響仍不減當年。盡管其主要成就還停留在統(tǒng)一量子物理與廣義相對論上，但它的誘惑力卻更深了一步。物理學家們幾百年來細心研究出的最優(yōu)秀的理論，在弦理論宏偉的數(shù)學架構(gòu)中得到了論證。很難相信這樣的共識只是一種偶然巧合。

如果愛因斯坦能看到弦理論研究所走過的路，他的臉上會露出會心的笑容。他會一邊欣賞著弦理論卓越的幾何特征，一邊對通往統(tǒng)一理論漫長而曲折的道路上艱難跋涉的同仁們感佩不已。無一例外的，科學的強大之處就在于它能進行自我矯正，盡管也有可能幾十年過去之后，仍舊一無所獲?？茖W家相信：弦理論會逐漸被數(shù)學和其他科學領(lǐng)域容納，然后慢慢展現(xiàn)出它獨特的魅力。這期間，需要巨大的耐心和大量細致的研究。等到實驗?zāi)茏C明弦理論的那一天終于來到，后人回顧我們的時代，他們看到的就是一個變革的時代，是科學家們堅忍不拔地孕育出卓越的充滿挑戰(zhàn)性的科學理論的時代，是對我們身處其中的現(xiàn)實世界的理解邁出了最關(guān)鍵的幾步的時代。

盡管備受爭議，弦理論仍然是我們尋找統(tǒng)一宇宙理論的最大希望所在