在超越粒⼦物理标准模型的各种理论中,弦论是⼀种极具吸引⼒的理论,但⾄今⽆论是从宇宙学观测,还是欧洲核⼦中⼼的⼤型强⼦对撞机(LHC)的数据来看,物理学家尚未找到任何直接或间接的实验证据确证它。从弦论转为我们已知的观测现实的过程,可能还要抛弃很多东⻄,但我们不知道这将如何做到——因此弦论⽬前仍是⼀个思辨性的梦想。
弦论的思想是,我们的宇宙来⾃⼀个更⾼维、更对称、具有⼤量⾃由度的复杂状态。我们需要排除它的冗余预⾔,直到符合我们所观察到的宇宙。这⼀问题尚未得到解决。很多⼈第⼀次学习弦论时,都被它美丽⽽强悍的想法所震惊。当我们观察宇宙并找出其运⾏规律时,我们发现它存在某种结构模式,如此错综复杂,似乎其遵循的规则,对理论不同部分的适⽤程度有很⼤不同。
理论上讲,只要那些“额外”的维度⼩于实验已探测到的某个临界⼤⼩,我们的宇宙空间就有可能⾼于3维。在约10-19到10-35⽶之间的范围仍然允许第4空间维,或其他数量的额外维存在。作为理论家,每当为理论添加新的东⻄——新的成分、新的⼒或相互作⽤、新的维度、新的耦合等,你必须做两件事以容纳它们。
第⼀,确定新增的内容与主流理论和所有已知的观察相容:不能向理论中添加已被现有实验数据排除的东⻄,也就是我们所说的成功⽆望之物。
宇宙是极其复杂的,已知在其中存在:4种⾃然的基本⼒:引⼒,电磁⼒,强核⼒和弱核⼒;构成标准模型的粒⼦,包括夸克和轻⼦,规范玻⾊⼦和希格斯粒⼦;决定相互作⽤强度的耦合常数,其⼤⼩随能量改变;4维:3个空间维和1个时间维;已知的物理定律:关于引⼒的⼴义相对论,其他三种(固有量⼦的)⼒的量⼦场论。
但是,弦论⾯临的最⼤挑战之⼀,正是经常被吹捧为巨⼤成功的东⻄:弦论包含引⼒。从某种意义上说,弦论确实允许引⼒与其他三个⼒合并到同⼀框架中。但是在弦论的框架中,当你问“何为引⼒理论”时,你不会得到爱因斯坦告诉我们的正确答案:引⼒的4维张量理论。
这⼀切意味着,如果弦论正确,我们就必须从⾼度对称的宇宙开始,这与我们今天拥有的宇宙⾮常不同。这个宇宙在其早期在极⾼的能量下有10维,除了张量分量之外,还有⼀个标量分量,统⼀于⼀个⾮常⼤的,例如SO(32)群或E(8)×E(8)群,并由最⼤超对称(N=4)杨—⽶尔斯理论来描述。
不过这就是弦论的梦想:我们接受这⼀理论,就像拿着⼀个巨⼤的、完好⽆缺的盒⼦⼀样,插⼊正确的钥匙,就能看到它四分五裂,只留给我们⼀⽚能完美描述宇宙的⼩碎⽚。在缺少这把钥匙的情况下,只能认为弦论是⼀种物理推测。这可能是有趣和充满希望的,但是在⽆法以有意义的⽅式解决弦论⽽从中得出所观察的宇宙之前,我们必须坦承弦论的真正含义:⼀个⼤⽽完好的盒⼦,它必须以某种特殊、精巧的⽅式来还原我们观察到的宇宙。
在我们理解这如何发⽣之前,弦论仍将是⼀个思辨性的梦想。