沈致遠


弦圈之爭——基本粒子研究進入戰國時代.htm    21k    [2007-7-3]

 

 

弦圈之爭——基本粒子研究進入“戰國時代”
              作者:沈致遠        日期:2007-7-3        浏览量:64

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弦代表超弦理論(簡稱弦論),圈代表圈量子引力論(簡稱圈論)。兩者均為“萬物之理”(Theory of everything)之候選者。
   
萬物之本是什麼?自古引人遐思。19世紀才有實驗根據,20世紀步步深入:分子、原子、原子核、核子、電子、夸克……1970年代物理學家從已知的基本粒子及其相互作用總結出標準模型。這是一個非常成功的理論,為許多實驗所證實,有的竟達到百億分之一精確度!但有兩個缺點:一,其中包含人為設定的幾十個參數,不知其所以然;二,雖然在四種作用力中已將電磁力、弱力、強力統一起來,引力卻頑固地拒絕統一。
    
物理學家深信天道歸一:四種力是統一的,在夸克和電子等基本粒子後面肯定有更基本的東西。於是兵分兩路向萬物之本進軍。
   
一路是弦論的大兵團,人強馬壯聲勢浩大。經過兩次“超弦革命”,聚集了號稱“全世界最聰明”的物理學家和數學家數千人,發表論文以萬計!弦論認為:萬物之本是極其微小(普朗克長度1035米)的弦(String),在9維空間中飛快地振動。現實空間只有3維,多出的6維空間捲曲隱藏起來了。弦不同的振動式樣相當於不同的粒子。一言以蔽之:萬物皆弦。
 
另一路是遊兵散勇,除圈(Loop)論外,還有旋子(Spinor)、扭子(Twistor)及非互易幾何(Non-commutative geometry)諸論。圈論比較像樣,從事者也僅數百人。圈論由賓州州立大學阿許特卡(Abhay Arshtekar)于1980年代提出。圈論認為粒子是空間的拓撲形體。一言以蔽之:萬物皆形。
   
早期在研究核子強相互作用時發現,將粒子當作弦可以解釋一些物理現象,但存在超光速粒子等問題,未引起主流物理學家注意。1984年,許瓦茲(John Schwarz)等人解決了存在問題,併發現弦論中自動出現引力子。物理學家看到苗頭蜂擁而至,此為“第一次革命”。弦論從冷門一變而為顯學,不久又出現新問題:弦論有五種不同版本,不知何所從。1995年,威騰(Edward Witten)在洛杉磯集會上提出“M-理論”:9維空間中弦論五種版本在10維空間中是等價的,除弦以外還有膜(Brane)等。人心大振,聲勢空前高漲,此為“第二次革命”。
   
第二次革命後又十幾年過去了,弦論基本方程仍付闕如,其可能方案竟然有10500之多,相應于10500個宇宙!批評者譏諷說:弦論從萬物之理變為“任意之理”(Theory of anything),弦論者總可以變出一個理論使之與實驗符合。無法證偽,就不是科學!
    
二十多年來,弦論和圈論等各自發展。最近風雲突變,圈論者推出兩本書。一本是《物理學之困境》,作者施莫林(Lee Smolin)是哈佛大學物理學博士,從事弦論研究多年,後改弦易轍做圈論,反戈一擊:弦論沒有實驗證明,連實驗方案都提不出來,這一擊正中要害。另一本是《甚至稱不上錯》,作者吳易特(Peter Woit)是普林斯頓大學物理學博士,現任哥倫比亞大學數學系講師。書名就竭盡譏諷之能事:弦論根本不是理論,連錯都不夠格!
   
批評弦論不自今日始,不乏大師級人物。諾貝爾物理學獎獲得者費因曼(Richard Feynman)說過重話:“弦論者提不出實驗,只會找藉口。”2004年諾貝爾物理學獎獲得者、威騰的導師格羅斯(David Gross)曾是弦論的熱烈支援者,最近在一次集會上說:“我們不知道自己在說什麼!”
    
兩本書的出版,引起公眾注意。弦論不甘示弱,著名弦論學者哥倫比亞大學教授格林(Brain Greene)在20061020日《紐約時報》以長文進行反駁,題為“弦上的宇宙:不要放棄最有希望的物理學理論”。其主要論點:弦論繼承愛因斯坦未竟之遺志,積累了豐富的經驗,建立起美麗而嚴密的數學體系,是統一四種力的最有希望的理論。格林承認缺乏實驗證據是嚴重問題,他寄希望於將在2008年開始運行的歐洲巨型強子對碰機(LHC)或許能作出支援弦論的實驗結果。對“弦論二十多年未出成果”的批評,他嗤之以鼻。平心而論未可厚非,科學史上難題有數百年未解的,何況目標是“萬物之理”,如輕易到手,反倒是非常奇怪弦論的大問題是實驗驗證,弦的尺度是1035米,以實驗直接驗證,所需粒子加速器比銀河系還大!弦論提出的一些間接實驗方案至今無一成功。
   
最近我對兩位作者進行專訪。我問施莫林:圈論和弦論有無共同之處?他說:“圈論可以幫助弦論成為不依賴於背景的理論。”我說:弦論發展出許多數學工具,圈論可以借鑒。他表示同意。我又問:圈論的3維空間和弦論的多維空間是否相容?他說:“圈論並不排斥多維空間。”我再問:圈論有沒有提出可行的實驗?他說:“預言光子速度隨其能量增大而變慢,可由天文觀測檢驗。”
    
我問吳易特:你對格林的反批評有何評論?他說:“格林會錯了意,施莫林和我都沒有要求放棄弦論,只是主張給圈論等以一席之地。”弦論者常用一句話堵批評者之口:“這是鎮上惟一的遊戲。”公然無視其他理論的存在,這種霸道對科學發展有害。我說:你在書中批評弦論有10500不同版本,說明弦論缺乏選擇規則,有朝一日發現選擇規則,不同版本定於一尊,可能嗎?他說:“從歷史看,弦論發展趨勢是版本不斷增加,這種可能性不大。”我說:科學史上的重大突破有些出乎意料之外:19世紀末,沒人預料到量子力學的出現;20世紀初,如愛因斯坦未提出狹義相對論,別人也會提出,但廣義相對論沒有人料到。吳易特說:“是的!你說的可能性不能排除。”我說:如“萬物之理”確實存在,其生母可能是弦論、圈論,或者現在還不知道的什麼論,很可能是諸論之雜交。
    
我問兩人對今後發展的看法,他們說:大家都在等待,企盼LHC開始運行後能給出新的實驗結果,為基本粒子研究指明方向。吳易特加了一句:“如LHC未發現新結果,就不知道該怎麼辦了。”
    
學派之間通過爭論互相砥礪,有益於科學的發展。但這次爭論有所不同,除學術歧見外,還有社會因素。弦論是顯學,佔據一流大學物理系要津,幾乎囊刮了這方面的研究經費。圈論等缺乏研究經費,年輕的粒子物理學家如不做弦論,求職非常困難,資深的也難成為終身教授。
    
弦圈之爭公開化標誌著基本粒子研究進入戰國時代,群雄並起百家爭鳴當可預期,這是大好事,科學從來就是在不斷挑戰和競爭中發展的。自從標準模型提出以後,二十多年來基本粒子研究進展甚微。LHC的建成和非弦論諸學派之崛起可能是一個轉機,我們殷切期待20世紀物理學蓬勃發展的局面能在21世紀再現。

 

 

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