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幸运的是,还有其他检验超对称的方法。有一种可能的方法涉及暗物质。在许多标准模型的超对称推广中,最轻的新粒子是稳定的,而且不带电荷。这种新的稳定粒子可能就是暗物质。它只能通过引力和弱核力与普通粒子相互作用。我们称这种粒子为WIMP,即大质量弱相互作用粒子。已经有几个实验在探测它们了。这些探测器利用了暗物质通过弱核力与普通粒子发生相互作用的思想。这使那些粒子很像大质量状态的中微子,因为中微子也只通过引力和弱力与物质相互作用。
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不幸的是,超对称理论有着太多的自由参数,没能具体预言那些WIMP的质量应该是多少,它们的作用大概有多强。但如果它们确实构成了暗物质,假定它们在星系形成中起着我们设想的那种作用,那么我们就可以推测它可能的质量范围。预言的范围令人满意地落在理论和实验估计的最轻超伙伴的质量范围内。
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实验家们像寻找来自太阳和遥远超新星的中微子那样寻找WIMP,尽管经过了广泛的搜寻,但至今一个也没找到。当然这不是最后的结果——它只不过说明如果它们存在,其相互作用也太微弱,不能引起探测器的反应。我们可以说,假如它们像中微子那样与物质相互作用,我们早就看到了。不管怎么说,只要用任何方法发现了超对称,都将是物理学的辉煌胜利。
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我们需要记住的是,即使弦理论要求世界在一定尺度上是超对称的,它也没说那个尺度是多大。因此,如果超对称没有在LHC看到,也不能证明弦理论是错的,因为它所在的尺度是完全可以调节的。另一方面,如果超对称找到了,也不能证明弦理论是对的。有些普通理论也需要超对称,如标准模型的最小超对称扩张。即使在引力的量子理论中,超对称也不是弦理论独有的。例如,量子引力的另一种方法,所谓圈量子引力,也与超对称完全相容。
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我们现在来看弦理论的第三个一般性预言:所有的基本力都在某个尺度达到统一。和其他情形一样,这也是一个比弦理论更大的思想,所以它的证明不能证明弦理论是对的;实际上,弦理论允许几种不同形式的统一。但多数物理学家认为,没有一种形式代表了大统一。我们在第三章讨论过,大统一有一个迄今尚未证明的一般性预言,即质子是不稳定的,将以某个时间尺度衰变。很多实验做过质子衰变,都失败了。这些结果(或者说没有结果)排除了某些大统一理论,但没有否定一般的思想。然而,衰变的失败却为可能的理论(包括超对称理论)强加了一种约束。
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众多理论家相信这三个一般性预言都将被证明。于是实验家们花了大量精力去寻找可能支持它们的证据。可以毫不夸张地说,在最近30年,成百上千的人和数以亿计的钱都耗费在了寻找大统一、超对称和更高维的迹象。尽管努力了,这些假说的证据一个也没出现。任何思想的证明,即使不能作为弦理论的直接证据,也将第一次暗示我们,在弦理论要求的那一揽子东西中,至少有某个部分使我们与实在的距离更近了,而不是更远了。
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物理学的困惑 第十二章 弦理论解释了什么
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我们今天对弦论的异趣都理解了什么呢?第一次超弦革命已经发生20多年了,在这段时期里,弦论吸引了全世界理论物理学的关注和资源——世界上1000多个最有素养、最有才华的科学家在为它工作。虽然有人对理论前景心存疑虑,但科学迟早能获得证据,使我们对某个理论的真实性达成共识。考虑到未来什么事情都可能发生,我想在结束这个部分时,对作为科学理论的一个计划的弦理论做一点评价。
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还是说得更明白些吧。首先,我不评价工作的质量;许多弦理论家都是才华横溢而且经验丰富的,他们的工作都是高质量的。其次,我要区分两个问题:弦理论是否是令人信服的物理学理论的候选者?弦理论的研究为数学或其他物理学问题带来了什么有用的认识吗?没人怀疑弦理论引出了很多好数学,我们也深化了某些规范理论的认识。但弦理论带给数学或其他物理学领域的副产品,并不是支持或反驳弦理论作为正确科学理论的证据。
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我要评说的是弦论在多大程度上实现了(或将要实现)它最初的允诺:统一量子理论、引力论和基本粒子物理学。弦论或许是爱因斯坦1905年以来的科学革命的顶点。这种评价不可能基于尚未实现的假设或尚未证实的猜想甚至理论追随者们的心愿。这是科学,而一个理论的真实性只能以它在科学文献发表的结果为基础进行评价,因此我们必须谨慎地区分猜想、证据和证明。
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也许有人会问,现在做如此评论是否为时尚早。但弦论已经持续发展了35年,而且在20多年里吸引了全世界许多最聪明的数学家。正如我以前强调的,至少从18世纪末以来,科学史上从来不曾有过一个重要理论,经过了10多年而既没衰落也没获得实验和理论的支持。要说实验难做,也不能令人信服,原因有两点:首先,弦论要解释的多数数据已经存在于宇宙学和基本粒子物理学的标准模型的常数中了。其次,虽然弦确实小到不能直接看见,但以前的理论几乎总能很快引出新的实验——没人想到要做的实验。
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另外,在进行评价的过程中,我们需要考虑许多证据。做弦论的人为我们带来了大量需要思考的东西。猜想与假设,虽然经过广泛深入的研究仍然悬而未决,也有着同样的意义。多数未解的关键猜想至少经过10年了,但今天仍然没有能很快解决它们的迹象。
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最后,弦论作为第十章讲述的新发现的巨大景观中的一点,正处于危机之中,令许多科学家重新考虑它的前景。于是,尽管我们不会忘记新的发展可能改变这幅图景,现在似乎也该把弦论作为一个科学理论来进行评价了。
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任何理论评价的第一步是拿它与实验和观测进行比较。这在第十一章已经讨论了。我们看到,即使弦理论经过了那么多的研究,似乎也不可能用当前可行的实验来证明或否定它的某个独特的预言。
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有些科学家会认为这个理由足以抛弃弦理论了,但弦理论是为了解决某些理论难题而创建的。即使没有实验检验,我们也会支持一个能为大问题带来满意解的理论。在第一章里,我描述了理论物理学面临的五个重大问题。能终结爱因斯坦革命的理论应该解决所有这些问题。所以,要公正评价弦理论,应该问它在这方面做得怎么样。
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先简要说说我们所知道的弦理论的东西。
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首先,它没有完整的形式。弦理论的基本原理是什么?理论的主要方程应该是什么?这些问题还没有公认的意见,甚至没有证明是否存在这样的一个完整形式。我们对弦理论的认识主要是一些近似结果和与以下四类理论相关的猜想。
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1.我们认识最好的理论刻画了在简单背景(如平直十维时空)中运动的弦,其中背景几何不随时间变化,宇宙学常数等于零。也有许多情形,9个空间维中的某些被卷曲而其余空间维平直。这些是我们理解最深的理论,因为可以具体计算在那些背景中运动的弦和膜。
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在这些理论中,我们用所谓微扰论的近似方法来描述背景空间中的弦的运动和相互作用。已经证明,这些理论是非常确定的,在近似方法中给出了精确到二阶的有限而和谐的预言。其他结果也支持(不过迄今尚未证明)这些理论的一致性。除此之外,还有大量结果和猜想描述了这些理论中的一个对偶关系网。
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然而,这些理论的每一个都与我们世界的事实相矛盾。它们多数都有未破缺的超对称,这在现实世界里还没见过。少数没有未破缺超对称的几个理论预言费米子与玻色子具有相等质量的超伙伴,也不曾见过。除了引力和电磁力外,它们还预言存在无限力程的力,还是没有见过。
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2.在具有负宇宙学常数的世界的情形,可以证明存在基于马尔德希纳猜想的一类弦理论。这将在具有负宇宙学常数的特定空间的弦理论与特定的超对称规范理论联系起来了。迄今为止,除了某些非常特殊的、高度对称的极端情形而外,这些弦理论还不能确定地构造出来进行研究。很多证据支持弱形式的马尔德希纳猜想,但还不知道到底哪种形式的猜想是正确的。如果最强形式是正确的,那么弦理论等价于规范理论,这个关系为具有负宇宙学常数的弦理论提供了精确的描述。然而,这些理论也不能描述我们的宇宙,因为我们知道宇宙学常数是正的。
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3.人们猜想还存在无数其他理论,相应于更复杂背景下运动的弦,它们的宇宙学常数不等于零,时空背景几何随时间演化,或者其背景包含着膜和其他场。这包括了大量宇宙学常数为正的情形,与观测结果一致。迄今还不可能精确确定这些弦理论,也不可能进行具体的计算从而导出预言。它们存在的证据是满足一些必要但远非充分的条件。
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4.在26个时空维中,有一个理论没有费米子或超对称,叫玻色弦。这个理论有快子,会导致无穷的表达式,造成理论的矛盾。
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