弦理论会重蹈大统一理论的覆辙?因为它们使用了同一种构建方法?

发布时间:19-09-1816:23

众所周知,物理学界为了寻找到一个能解释宇宙间所有现象的理论,付出了极大的努力。物理学家们坚信,一个简单的、凝练的和统一的物理理论必定存在,而寻找到它就成了物理学家们的终极目标。上世纪60年代末,弦理论横空出世;上世纪70年代,大统一理论被提出。弦理论的终极目标是将引力与量子力学中的三种力完美统一起来,成为一个“万有理论”,而大统一理论的目标是将量子力学中的三种力统一起来,重新构建一个超越量子力学标准模型的新的模型。

大统一理论的寿命较短,从1974年被乔治和格拉肖提出,至20世纪80年代末的偃旗息鼓直至后来被彻底抛弃,只经历了短短的十几年时间。相对而言,弦理论则生命力很强,它比大统一理论创建早,在无数的争议和反对声中,虽历经起起落落,但逐步发展出超弦理论和M理论,即使目前对它的争议仍旧尘嚣直上,但它并没有灭亡,甚至由此使得更多的后来者加入到了研究弦理论的队伍之中。

纵观这两个理论的构建方法,它们其实都使用了理论物理学研究中的同一种方法,即“自上而下”的方法。那么,使用这种方法的大统一理论早就灭亡了,弦理论是否也可能因此重蹈大统一理论的覆辙呢?要回答这个问题,首先要解释清楚什么是“自上而下”的理论构建方法,其次要了解大统一理论最终因何而亡。上面已经提到,物理学家们在追求一个简洁凝练的、统一的物理理论,来解释我们这个复杂的宇宙,我们可将这个理论视为理想,而复杂的宇宙就是现实。

为了拉近理想与现实之间的距离,物理学家们通常有两种不同的方法——“自上而下”和“自下而上”。所谓“自上而下”,即由理论出发,首先相信理论是正确的,然后试图导出其结果,这个结果要与我们观察到的纷繁复杂的世界相吻合。弦理论和大统一理论都是这样。比如弦理论,它的前提是:自然界的基本物质是“弦”而非粒子,我们现在通过量子力学观测到的所有粒子只不过是由弦的不同振动方式所产生的结果,就如同振动的小提琴的弦可以发出不同的音符一样。

与这种方法对立的就是“自下而上”的方法。就拿量子力学来说,粒子物理学家首先找出观测到的基本粒子与其内在相互作用之间的联系,然后由此推导出基本的理论。他们在观察到的物理现象中寻找线索,然后构建模型,模型代表了一些样本理论。但最终,由这种方法构建的理论可能正确,也可能错误。比如说杨-米尔斯理论就是这样,虽然仍在使用,但颇具争议,被认为有强制拼凑、太过人为的嫌疑。

再回到大统一理论,它用“自上而下”的方法构建起来,理论中预言了一些可能出现的物理现象,比如宇宙中会存在大量的磁单极子,再比如质子会衰变。乔治和格拉肖在解释大统一理论时认为,质子不会永远存在,虽寿命极长甚至超过已知宇宙的寿命,但它们会产生衰变。因为质子数量众多,所以必定可以通过实验来验证。为此,上世纪七八十年代,包括美国和日本在内的一些国家建起了多质子的大型实验室,每个国家都花费了至少数千万美元,但最终无一不是失望而归,这也成了压垮大统一理论的最后一根稻草,自此后这个理论再也无人问津。

乔治和格拉肖后来也开始怀疑这种“自上而下”的方法,逐渐转变了观念并扭转了方向。因为统一三种力的能量极高,属于无法企及的超高能物理的范围,他们后来放弃了高能物理研究,开始专注于低能物理研究。到这里再看弦理论,它所预言的统一四种基本力的条件是发生在普朗克能量的条件下,达到10^28电子伏特,这一点和大统一理论极其相似。既然两个理论有这些重要的相似性,大统一理论灭亡了,弦理论还能够走多远?

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