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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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有人提出，所有这些猜想的和构造的理论都统一于一个更深层的理论，叫M理论。其基本思想是，我们认识的所有理论都将对应于那个深层理论的解。从不同弦理论之间众多的对偶关系（猜想的或证明的）中，可以看到它存在的证据，但迄今还没人能建立它的基本原理，写出它的基本定律。
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我们可以从上面的综述看到，为什么弦论的任何评价都必然引起争议。如果我们仅限于考虑已知存在的理论——即可以做具体计算并进行预言的理论——我们必然得出弦理论与自然无关的结论，因为每个弦理论都与实验结果矛盾。所以，我们对弦理论可能描述世界的希望，完全寄托在我们对众多可能存在的弦理论的信念。
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不过，许多做弦论的人相信那些猜想的理论是存在的。这种信念似乎基于以下的问接推理：
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1.他们猜想存在一般形式的弦理论，由未知的原理和未知的方程决定。这个未知的理论有很多解，每个解都为在某个背景时空里传播的弦提供一个和谐的理论。
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2.接着他们写出一组方程，猜想它能逼近那个未知理论的真正方程。然后他们猜想这些近似方程为和谐的弦理论的背景提供了必要但不充分的条件。这些方程可以认为是不同形式的卡鲁扎-克莱因理论，因为它们也包含着广义相对论在高维的推广。
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3.他们猜想，对这些近似方程的每个解，都存在一个弦理论，尽管不能具体将它写出来。
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这个推理的问题在于，它的第一步是一个猜想。我们并不知道那个理论或决定理论的方程是否真的存在。这就使第二步也成了猜想。同样，我们也不知道猜想的近似方程是否为弦理论的存在提供了充分（与必要相对）的条件。
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这类推理存在着风险——它假定了需要证明的东西。如果你相信论证的假定，那么存在性已经隐含在其中的理论就可以作为弦理论来研究。但必须记住，它们不是弦理论，也不是任何形式的理论，而只不过是经典方程的解。其意义完全依赖于没人能建立的理论或没人能证明的猜想。在这种情况下，似乎没有多大的理由相信存在任何尚未确立的弦理论。
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