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1700953671 尽管乔吉与格拉肖有所保留,其他许多物理学家却认定,“自上而下”才是唯一能够攻破难题的方法。弦理论学家选择了一条不归路——不是传统的科学,却带来了丰富(虽然存在许多争议)的想法。他们理解理论的一些方面,却仍在努力把它们拼接起来,在形成与发展他们激进的想法时寻找底层的关键原理。
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1700953673 弦理论的目标是建立一个不是来自于实验数据,而是来自于理论疑难的引力理论。它提供了一种引力子的自然解释,量子力学告诉我们,传递引力的粒子必须存在。当前量子引力首当其冲的、自洽的候选理论是弦理论,而量子引力是将量子力学与爱因斯坦的广义相对论相结合的理论,因此它的适用范围是在相当高的能标上。
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1700953675 物理学家可以使用已知理论合理地在小尺度(例如在原子内部)上作出预测,量子力学起重要作用,引力可以被忽略。引力对相当于原子质量大小的粒子的影响极其微弱,所以我们可以使用量子力学而放心地忽略引力。物理学家也可以在大尺度(例如在星系内部)上作出预言,引力占据主导地位而量子力学可以被忽略。
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1700953677 然而,我们没有一种可以将量子力学与引力结合起来的理论,即在任何可能的能标和尺度上都适用的理论 。我们不知道在极高能标、极小尺度的地方——与普朗克能标或尺度相当的地方,如何开展计算。因为引力的影响对超重或者超高能的粒子更大,所以引力对于具有普朗克质量的粒子起着非常重要的作用。在极小的普朗克长度上,量子力学的效应也很显著。
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1700953679 虽然这个问题没有损害任何可观测到的现象(至少在大型强子对撞机上没有),但是它意味着理论物理是不完备的。物理学家还不知道如何自洽地将量子力学与引力结合在极高能标与极小尺度的地方——两者对预测而言都相当重要且不能被忽略。我们理解中的一个重要缺口可能反而会为我们指出一条道路。许多人认为弦理论是它的解决方法。
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1700953681 “弦理论”名称的由来是振动的基础弦,它是最初理论构想的核心。粒子存在于弦理论中,但是它们从弦的振动而来。不同的粒子对应不同的振动,非常像是从振动的小提琴琴弦产生的不同音符。原则上看,弦理论的实验证据应该包含那些相应于弦振动产生的模式的新粒子。
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1700953683 然而,绝大多数这种粒子很可能因为太重而不可能被观测到,因此这是实验很难检验弦理论在自然中是否存在的原因。弦理论方程描述的物质如此微小且具有如此之高的能标,以至于任何我们可以想象出的探测器都不可能探测到它们。并且该理论定义在一亿亿倍于人类现今的仪器所能达到的能标之上。目前,我们甚至还不知道当碰撞粒子的能标提高10倍时所能发生的事情。
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1700953685 弦理论学家不能对实验可及的能量上的现象给出唯一预言,因为粒子组成与其他性质依赖于该理论中还没有确定的基本元素。弦理论在自然中的结果依赖于这些元素的安排。在当前的构造中,弦理论包含了太多的粒子、太多的相互作用、太多的维度,远远超出真实世界所能观测到的 。是什么原因导致这些粒子、作用与维度有别于我们能看见的那些?
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1700953687 例如,弦理论的空间不一定是我们周遭有着三个空间维度的空间。相反,弦理论的引力描述了具有6个或者7个额外维度的空间。弦理论的一种有效版本解释了这些看不见的额外维度如何有别于我们能看到的那三维。弦理论是如此引人注目,以至于类似额外维度等迷惑人的性质模糊了它与可见宇宙之间的联系。
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1700953689 为了从高能弦理论推断目前可以测量的能量上的结果,我们需要推导,将原始理论中的极重粒子去除后所得到的结果。然而,弦理论在低能量时,有许多种可能的实现方法,我们也不知道如何区分这些极大范围内的可能性,或者如何找出与现实世界相似的那一个。问题是,我们还没有充分地理解弦理论,以推导出它在所见能标上能给出的结果。理论的预测被它的复杂性所削弱。不仅它的数学性是一个艰难的挑战,而且我们都不清楚如何组织弦理论的元素,以及确定哪些数学问题需要被解决。
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1700953691 最重要的是,我们现在知道,弦理论比物理学家最初认为的复杂得多,并且涉及了许多其他有着不同维度的要素——主要是膜。弦理论这个名称还是普遍地适用,但是物理学家也可能指的是M-理论,虽然没有人真正知道“M”代表什么意思。
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1700953693 弦理论是一种宏伟的理论,它已经导致了意义深远的物理与数学的洞见,并且很可能包含正确的描述自然的要素。然而,一个巨大的理论沟壑将目前所理解的理论与描述现实世界的预测远远地隔离开来。
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1700953695 最终,如果弦理论正确,所有描述真实世界现象的模型应该可以从它的基本前提出发推导出来。但是它的初始构造非常抽象,而且它与可观测现象相去甚远。如果能找到所有正确的物理原理,使弦理论的预测可以与自然相符,那我们将是多么幸运啊!这是弦理论的终极目标,也是一个令人望而却步的任务。
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1700953697 虽然优雅与简单是一个正确理论的标志,但是我们只能在我们已经完全理解一种理论如何运行之后,才能真正判断它的优美。关于自然如何、因何将弦理论的额外维度隐藏起来的发现将是一次令人惊叹的成功,物理学家想要找出让它得以实现的方法。
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1700953699 宇宙景观
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1700953701 正如我在《弯曲的旅行》一书中所开的玩笑,绝大多数企图将弦理论现实化的想法都与整形手术有点相同。为了让弦理论与我们的世界一致,理论物理学家不得不找到某种把不应该存在的部分隐藏起来的方法,将粒子移除并将维度消融。尽管粒子集合的结果与现实惊人地接近,你也能分辨出它们并非完全正确。
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1700953703 大多数将弦理论真实化的企图都有点选角面试的味道。虽然大部分天真无邪的少年演得不是很好,面部表情有些僵硬而无法表露丰富的感情,但是经过足够多次的试镜后,一个美貌、有天赋的演员就有可能出现。
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1700953705 类似地,弦理论的一些想法也依赖于我们的宇宙:它是弦理论成分的理想实现。即使弦理论最终会统一所有已知的相互作用与粒子,它也可能包含代表了特殊集合的粒子、力与相互作用的单一稳定的盆地;或者更可能的是,包含一个复杂得多的有着山川、峡谷以及一系列可能出现的景观。
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1700953707 根据近来的研究,弦理论可以在许多可能的宇宙中实现,该情景对应于一个“多重宇宙”。不同的宇宙可以离得非常远,以至于在它们的一生中,彼此也不能相互影响(甚至通过引力也不行)。在那种情形下,完全不同的演化可以在各自的宇宙中发生,而我们只能处于其中之一。
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1700953709 假如这些宇宙存在而没有办法把人送到它们里面去,那么我们就可以合理地忽略它们,只留下我们自己的宇宙。但是宇宙演化提供了产生所有宇宙的方法,并且不同宇宙可以拥有不同的性质,不同的物质、相互作用以及不同的能量。
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1700953711 一些物理学家采用景观的方法结合“人择原理”(anthropic principle)来解释弦理论于粒子物理学中的棘手问题。人择原理告诉我们:因为人类存在于一个有着星系与生命的宇宙中,某些参数必须取特定的数值或与之相接近的数值,否则人类就不可能存在,并在这里讨论什么问题了 。例如,宇宙不能有太多的能量,否则它就会膨胀过快,物质就不会坍缩形成宇宙的结构。
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1700953713 人择原理
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1700953715 正是因为人类的存在,才能解释宇宙的种种特性。宇宙若不是这个样子,就不会有人类这样的智慧生命来谈论它了。
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1700953717 如果真是这样的话,那么我们需要决定什么样的物理性质(假如存在的话)适合粒子、相互作用与能量的构型。我们还不知道哪些性质可以预测;哪些对于我们今天能够在这里讨论科学来说,是必须的;哪些性质有基本解释,而哪些只是一个由于所处位置造成的意外。
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1700953719 我认为,由许多可能的构型形成的景观,合理而有前途,因为不同组合的引力方程有许多可能的解集合,我不认为我们观测到的解就一定是所有问题的解。我发现人择原理作为一种对观测到的现象的解释,也是一种非常令人不满的解释。问题是,我们永远不知道是否只要有人择原理就够了。我们能唯一预测哪些现象,哪些现象只能决定到差不多的程度?最重要的是,人择的解释不能检验,它可能是正确的。但是如果有更基本的从第一性原理而来的解释出现,那么人择原理必定会被抛弃。
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