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量子引力对话录 (上)

- 作者:Carlo Rovelli    译者:卢昌海 -

译者序: 在最近二十年的所有物理理论中, 超弦理论应该说是进展最为层出不穷、 声名最为显赫的。 但是直到今天为止, 我对它的看法却依然近乎中立。 我始终觉得, 超弦理论虽然有着美丽的数学结构, 也联系着深邃的物理思想, 但它并不象一些人认为的那样完美。 起码, 它的基础并不象一些人认为的那样简单, 只用一个参数就可以确定一切。 相反, 它带有很多隐含的假设。 这些我在 追寻引力的量子理论 一文中曾有所提及, 但提得非常简略。 原本打算将来写一篇更详尽的, 但前不久读到了 Carlo Rovelli 的 A Dialog on Quantum Gravity [Int. J. Mod. Phys. D12 (2003) 1509-1528], 虽然与我的看法不尽一致, 但也涉及了一些这方面的话题, 因此在这里, 先将这篇文章介绍给读者。 这也是本网站的第一篇翻译作品。

Rovelli 是 Loop Quantum Gravity 的代表人物之一, 是最早对 Loop Quantum Gravity 中的面积及体积算符本征值作出计算的物理学家之一 (参阅 追寻引力的量子理论)。 Rovelli 这篇文章的文体及人物仿照的是 Galilei 的对话, 但遗憾的是, 对话中部分内容略显重复及冗余, 文章结构不够流畅。 更遗憾的是, 对话中为超弦理论辩护的 Simp 教授 (对应于 Galilei 对话中的 Simplicio) 的水平实在太低, 在整个对话的所有方面 - 甚至包括对自己为之辩护的超弦理论的理解 - 都显得不如研究生 Sal (对应于 Galilei 对话中的 Salviati), 颇失教授水准, 同时也失整个对话的水准。 另外, 文章对超弦理论有过份苛求之嫌, 对 Loop Quantum Gravity 又有过份美化之意。 前者比如追问超弦理论是否可以精确地给出标准模型, 是否存在关于超弦理论有限性的严格证明等 (如果这样追问的话, 那么别说超弦理论, 就连普通的量子场论也难以招架, Loop Quantum Gravity 自也无法独善其身); 后者比如认为在理想情况下, 即超弦理论和 Loop Quantum Gravity 的所有设想都得以实现的情况下, 两者均可称为是完美的理论, 均可取代对方。 其实 Loop Quantum Gravity 并不具有与超弦理论同等的广度和雄心, 即使在理想情况下也是有明显局限性的 (比如它不能导出标准模型的自由参数 - 因为这根本不是它的目的)。 这些是作者作为 Loop Quantum Gravity 代表人物的明显偏颇之处。

二零零四年三月四日写于纽约

圈量子引力与超弦理论之争方兴未艾, 要想对这两个理论进行不偏不倚的评论是非常困难的。 与其追求这样一种评论, 在这里不如让我来叙述一段与这一话题有关的对话, 那是我在美国某名校的自助餐厅里听来的。 对话是在高能物理学家 Simp 教授和研究生 Sal 之间进行的。 Simp 教授听说 Sal 试图研究圈量子引力, 就找她聊了聊, 想劝她放弃。 下面就是我所听到的他们的对话。

Sal: Hi, 教授。

Simp: Hi, Sal, 听说你对圈圈很感兴趣。

Sal: 是啊, 正在学呢。

Simp: 并且?

Sal: 并且很喜欢。

Simp: 打算做这方面的研究吗?

Sal: 也许吧。

Simp: 研究圈圈恐怕会找不到工作哦。

Sal: 也许吧, 但是我想做点能让自己着迷的东西, 工作之类的事以后再考虑吧。

Simp: 嗯, 圈圈里面有什么东西让你这么着迷呢?

Sal: 融合广义相对论和量子理论, 理解时间和空间的性质。

Simp: 超弦理论也可以融合广义相对论和量子理论啊。

Sal: 是的, 可是代价太高了一点。

Simp: 代价太高?

Sal: 是啊, 额外的维度、 超对称、 无穷无尽的场 ...

Simp: 这些不是代价, 而是令人着迷的新物理啊。

Sal: 现在恐怕还只是猜测, 算不上是新物理吧。

Simp: 圈量子引力不也只是猜测吗?

Sal: 当然, 但是圈量子引力的猜测中只用到了我们熟知的广义相对论和量子理论, 没有用到那些额外的东西。

Simp: 真的只是这些吗? 圈圈已经万事具备了吗?

Sal: 那倒不是, 还差很多。 但是超弦理论差得也不少啊。

Simp: 没那么多。 在超弦理论中你可以计算散射振幅和截面, 圈量子引力做不到吧?

Sal: 不错, 但是也有许多东西圈量子引力可以计算, 超弦理论却做不到啊。

Simp: 比方说?

Sal: 比方说面积和体积算符的谱。

Simp: 但是你无法测量这些东西。

Sal: 原则上是可以测量的 ...

Simp: 原则上也许可以, 但实际上却无法 ...

Sal: 在实际上你也无法测量超弦理论预言的散射截面啊 ... 但是这两者之间有一个很大的差别。

Simp: 什么差别?

Sal: 圈量子引力的预言是唯一的, 是完全确定的 - 也许差一个参数, 但仅此而已。 如果有一天我们对面积测量的精度可以达到 Planck 标度, 我们就会知道圈量子引力预言的数值是否正确, 从而也就会知道理论究竟是正确还是错误的, 这才是真正的科学, 不是吗?

Simp: 超弦理论也有不少预言啊。

Sal: 比方说?

Simp: 比方说大的额外维度 (large extra dimension)、 超对称、 标准模型中不可能出现的反应。

Sal: 你是说如果我们找不到大额外维度的实验证据, 我们就可以说超弦理论是错误的?

Simp: 当然不能, 大额外维度只出现在特殊的超弦理论模型中。

Sal: 因此对额外维度的实验不可能推翻超弦理论。

Simp: 不错。

Sal: 假如在预期的能区内找不到超对称, 我们可以抛弃超弦理论吗?

Simp: 也不能, 因为超对称也许存在于更高的能区里。

Sal: 那么, 究竟什么实验可以在原则上推翻超弦理论呢?

Simp: 我想不出有任何实验可以做到这点, 超弦理论是非常坚实的。

Sal: 在我看来这不是坚实而是非常的薄弱。 一个好的科学理论应该是一个可以被证伪的理论。

Simp: 我不是哲学家 ...

Sal: 我的意思是说, 一个好的科学理论应该是一个可以给出确切预言的理论, 而不是一个可以拟合任何实验结果、 永远也无法告诉我们下一个实验会有什么结果的理论。 一个能够容纳任何结果及其相反结果的理论能有什么用处呢?

Simp: 你有点夸张其词了吧 ...

Sal: 有一点吧 ... 但是最低限度, 目前存在任何一种与我们的观测世界相一致的超弦理论吗?

Simp: 当然啦! Yang-Mills 场, 夸克, 引力子! 你这叫什么问题?

Sal: 我是说存在一种超弦理论及其真空 - 一种 Calabi-Yau 流形 - 或其它机制, 可以使理论破缺到四维时空, 并精确地给出标准模型, 给出我们观测到的基本粒子, 给出它们的质量和代 (family) 吗?

Simp: 我想有一些 Calabi-Yau 流形可以给出与标准模型相当接近的物理结果。

Sal: 就算有吧, 但是有理论可以精确地给出实验可达能区中的标准模型吗?

Simp: 嗯 ... 我想是没有 ... 起码没有精确的 ...

Sal: 因此到目前为止超弦理论与我们的观测世界并不相符 ... 它引进了一连串我们从未观测到的、 非常复杂的东西, 比如超对称和额外维度 ... 并且给不出任何确定的、 无歧义的实验预言。 这象是一个严肃的理论吗?

Simp: 那只不过是因为我们还没有能力真正地进行计算。

Sal: 当然, 但是这种说法太廉价了一点, 对任何足够复杂的理论都可以套用这样的说法 ... 我们为什么要单单相信超弦理论呢?

Simp: 因为它是唯一一个可以将广义相对论与量子理论合而为一的理论。 因为它给出了一个不发散的量子理论, 包括引力。 因为它包含了标准模型所欠缺的东西。 因为它可以导出实验上已经确认的许多东西, 比如引力、 规范理论、 费米子等。 因为它只有一个参数而标准模型有十九个。 因为它将所有的东西统一在了一起, 是一个包罗万象的理论。 因为它是一个非常优美的理论。

Sal: 教授, 我们可以在午饭时继续讨论所有这些吗?

Simp: 当然, 不过在这之后我们也要来讨论一下圈量子引力。

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