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我们可以考虑更复杂的带有多个孔的曲面。它们需要更多的数来描述。但没有谁(至少我不知道)能直接把6维空间的形象画出来。
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图8-1 隐藏的维可以有不同的拓扑。在这个例子中,有两个隐藏的空间维,它们具有和面包圈(环)一样的拓扑
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然而,我们还是有描述它们的办法,就是类比面包圈或其他二维曲面可能出现多少个孔洞。我们不用弦来缠绕孔洞,而是用高维空间来缠绕它。在每种情形,缠绕的空间具有一定的体积,那将是描述那种几何的一个常数。当我们明白了弦如何在额外维中运动,所有常数都会出现。所以,我们不再只有一个常数,而是有很多常数。
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弦论就这样克服了物理学的统一所面临的困境。即使一切都来自一个简单原理,我们也必须解释为什么会出现那么多不同的粒子和力。在最简单的可能情形,空间有9维,弦论很简单;所有相同类型的粒子都是一样的。但当弦可以在6个额外维空间的复杂几何中运动时,就将产生许多不同类型的粒子,伴随着在每个额外维的不同运动和振动方式。
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于是我们为粒子之间的显著差别找到了自然的解释,这是统一理论必须做的事情。但这也付出了代价,即理论远不是唯一的。结果是常数发生了交换:标志粒子质量和力的强度的常数与刻画额外维几何的常数相互交换了。所以,找到能解释标准模型的常数也就不足为奇了。
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即使如此,倘若这个图景能为标准模型的常数给出唯一的预言,它仍然是很吸引人的。如果我们通过将标准模型的常数转化为额外维几何的常数而发现了标准模型常数的某些新东西,如果这些发现与自然一致,那么这些证据将强有力地证明弦论是正确的。
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但事实不是这样的。在标准模型里自由变化的常数转化为弦论中可以自由变化的几何。没有约束,也没有简化。因为额外维的几何有很多选择,自由常数的数目不是减少了,而是增多了。
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而且,标准模型也没有完全重现。我们确实能导出它的一般特征,如费米子和规范场的存在,但不能从方程得到自然出现的复合现象。
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事情从此越发恶劣了。所有弦理论都预言了额外的粒子——没有在自然看到过的粒子。伴随它们的还有额外的力。有些力来自额外维几何的变化。考虑在空间的每一点加一个球面,如图8-2。球的半径可以随我们在空间的运动而变化。
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因此,每个球的半径可以作为它所在的点的一个性质。就是说,它像一个场。正如电磁场一样,这种场也在空间和时间中传播,生成额外的力。这一点很清楚,但这些额外的力很可能不会与我们的观测一致。
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图8-2 隐藏维的几何可以在时空中变化。在这个例子中,球半径是变化的
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我们一直在谈一般性,但世界只有一个。如果弦论是成功的,它不但应该是所有可能世界的模型,还必须解释我们的世界。于是,关键的问题是:有什么办法卷曲额外的6维,从而完全再现粒子物理学的标准模型?
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有一种方法是找一个超对称的世界。因为弦论具有超对称性,于是,对称性在我们三维世界的具体表现将依赖于额外维的几何。我们可以想办法让超对称在我们的世界破缺。或者也可能是另一种情形,即现实的理论容不下许多的超对称性。
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这就产生一个有趣的问题:是否可以选择某个额外6维的几何,使其正好满足超对称性的数量?是否可以构造某个几何,使我们的三维世界具有超对称形式的标准模型所描述的某个粒子物理学?
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这个问题在1985年的一篇非常重要的论文得到了解决。文章的作者是四个弦理论家:坎德拉斯(Philip Candelas)、霍洛维茨(Gary Horowitz)、斯特罗明戈(Andrew Strominger)和威藤。47他们很幸运,因为数学家卡拉比(Eugenio Calabi)和丘成桐(S-hing-Tung Yau)已经解决了一个给他们带来答案的数学问题。两个数学家发现并研究了一种特别优美的6维几何形式,即现在所谓的卡丘空间。四个弦理论家证明,弦论实现某个超对称标准模型的条件也就是确定卡丘空间的条件。接着他们提出,描述大自然的弦论选择了卡丘空间作为额外6维的几何。这清除了许多其他的可能性,给理论赋予了更多的结构。例如,他们具体说明了如何将标准模型中的常数(如决定不同粒子质量的常数)转换为描述卡丘空间几何的常数。
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这是一大进步,但也同样存在一大问题。假如只有一种卡丘空间,具有固定常数,那么我们就得到了渴望已久的唯一的统一理论。遗憾的是,竟然有很多卡丘空间,没人知道有多少。丘本人说至少有10万个。每个空间都产生不同形式的粒子物理;每个空间都伴随着一连串决定空间形状和大小的自由常数。所以没有唯一性,没有新预言,也没解释任何东西。
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另外,涉及卡丘空间的理论还有很多额外的力。结果表明,只要弦理论是超对称的,许多力都将具有无限的作用范围。这是很不幸的,因为任何作用范围无限的力(而不仅是引力和电磁力)的存在,都有严格的实验限制。
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还有一个问题。决定额外维几何的常数可以连续变化。这可能引出像旧的卡鲁扎-克莱因理论那样的不稳定性。除非有什么神秘的机制能固定额外维的几何,这些不稳定性将导致灾难,例如额外维的坍缩会产生奇点。
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另外,即使我们的世界由一种卡丘空间的几何描述,也不能解释它是如何成为那样的。除了卡丘空间外,弦理论也有多种形式。在有的形式中,卷曲维的数目从零一直变到9。我们称那些没有卷曲维的几何叫平直的,它们确定了我们这些大生物经历的世界。(在考察它们对粒子物理学的意义时,我们可以忽略引力和宇宙学,在那种情形,非卷曲维具有狭义相对论所描述的几何。)
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10万个卡丘流形不过是冰山的一角。1986年,斯特罗明戈发现了一个方法,能构造大量其他形式的超对称弦理论。他在描述他的构造方法的论文的结论部分写了一段话,我们应该好好记在心里:
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这类超对称的超弦紧化空间大大地增加了……这些解似乎……不能在可见的将来得到分类。这些解的约束相对较弱,也许可能找到大量在现象上可以接受的解……虽然这令人充满了信心,但从某种意义说,生命也变得太简单了。所有的预言能力似乎都消失了。(我强调的)
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所有这些都表明我们当前最最需要的是找一个动力学原理来决定[哪个理论描述了自然],现在它比已往任何时候都更加急迫。48
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