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量子引力对话录 (中)

- 作者:Carlo Rovelli    译者:卢昌海 -

<< 接上篇

前面的讨论是在 Sal 和 Simp 教授排队等候午饭时进行的。 现在他们买完午饭坐了下来。 Sal 在一张餐巾纸上记下了几个词语。 几位对讨论感兴趣的学生围坐在一旁倾听。

Sal: 我记下了您关于超弦理论的观点。 我首先要说超弦理论无疑是一个极为出色的理论, 充满了新奇和惊讶, 它接触到了那么多数学, 并且显然和许多已知的物理有着不错的关联。 我对发展超弦理论的那些物理学家充满了敬意, 他们也是我心目中的英雄。 我想要讨论的是目前我们究竟有多大把握相信超弦理论是描述自然的正确理论。 如果我们有足够的理由相信超弦理论的话, 那就没有太大必要研究其它理论了。 因此, 让我来分析一下您所列举的相信超弦理论的理由吧。 先从第一条开始: 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。

Simp: 我先收回这一条。 我忘了你在学圈圈。 当然圈量子引力也符合这条, 我们稍后再作讨论。

Sal: 那好。 您说超弦理论只有一个参数而标准模型有十九个。 一般来说我们对具有较少参数的理论更有兴趣 - 如果这一理论可以推导或计算出旧理论中的自由参数的话。 超弦理论可以做到这一点吗?

Simp: 现在还不能。

Sal: 因此, 对于标准模型的十九个参数而言, 超弦理论不过是用一个新的问题取代了旧的问题。

Simp: 是的, 但这个新的问题是有希望解决的。

Sal: 我并不怀疑假如超弦理论的所有希望都得以实现的话, 超弦理论将会是一个完美的理论, 我们就不必研究圈圈了。 但另一方面, 假如圈量子引力的所有希望都得以实现的话, 圈量子引力也将会是一个完美的理论, 我们也就不必研究超弦了。 因此让我们都把希望抛在一边, 来讨论一下具体的结果吧。 [译者注: 这里 Sal 大大高估了圈量子引力。 就各自的理想目标而言, 超弦理论要远远高于圈量子理论 - 在后者的目标中根本不包括诸如解决标准模型参数问题之类的问题。 因此即使在理想情况下, 圈量子引力也是具有明显局限性的, 不可能取代超弦理论。 钟情于圈量子理论的 Sal 说出这样的话倒不奇怪, 奇怪的是 Simp 教授居然没有加以反驳, 真是严重失察]

Simp: 只论具体结果的话, 那标准模型中的十九个参数目前还无法理解。

Sal: 好。 标准模型除了参数外, 还有一些其它问题, 比如为什么基本粒子有三代? 超弦理论可以解决这个问题吗?

Simp: ... 不能 ...

Sal: 宇宙学常数为什么这么小?

Simp: ... 不能 ...

Sal: 更好地理解对称性破缺?

Simp: ... 也不能 ...

Sal: 因此?

Simp: 但是超弦理论可以将标准模型的全部复杂性包含在一个极其简单的框架内 ...

Sal: 且慢。 我同意玻色弦理论是一个简单的物理框架。 但是玻色弦理论是一个糟糕的理论, 因为它带有快子 (tachyon), 而且显然不可能给出标准模型。 因此你必须扩大理论, 比方说扩大为 heterotic string, 引进规范群、 超场 ... 对理论的玻色及费米部分引进不同的行为 ... 我不会把这叫做 “一个极其简单的框架”。 不仅如此, 迄今为止为了得到标准模型, 你还必须人为地选择一个特殊而且复杂的内禀空间 (internal space)。 而且通常来说, 你必须读到一套专著的第二卷才能勉强开始明白那些稍有现实希望的模型的定义 ... 即便如此, 我们还是无法推导出标准模型的所有细节 ...

Simp: 听起来你好象把超弦理论当成了一个纯属纸上谈兵、 毫无现实动机的极端复杂的玩艺儿。 事实上那些有趣的东西, 比如额外维度、 超对称等都有着严谨的推理背景, 可不是为了好玩才引进的。 这些看似复杂的东西解决了具体的理论问题并最终组合成了一个终极理论, 这是令人瞩目的。

Sal: 它们解决了什么理论问题?

Simp: ... 起初是对偶模型及 Veneziano 振幅 ...

Sal: ... Veneziano 给出的振幅实现了猜测中的强相互作用下 s-channel 与 t-channel 间的对偶性 ...

Simp: 你对历史很了解啊。

Sal: Veneziano 振幅给出了观测到的散射截面吗?

Simp: 没有。 强相互作用散射截面的高能行为不同于 Veneziano 公式所给出的。

Sal: 因此一个好的物理学家应该得出结论说 Veneziano 公式是一个不错的理论构想, 但不是自然界所喜欢的那种, 我们应该抛弃它, 然后去研究别的东西 ... 我想当一个漂亮的公式与自然界不相吻合的时候, 我们必须相信自然界而不是漂亮的公式 ...

Simp: 事实上 Veneziano 公式作为一个强相互作用理论的确是被抛弃了, 但我们从中得到了那么多的东西。 人们意识到 Veneziano 公式可以从弦理论中得到, 并且可以有更好的应用。

Sal: 慢着, 这个故事只是给出了一个观念产生的历史沿革。 它并不能提供足够的理由让我们相信这个观念。 如果这个故事有任何启示的话, 它只是说明这是一个错误的出发点。 强相互作用下的 Veneziano 振幅及 Dolen-Horn-Schmid 对偶性是受高自旋共振态中质量与自旋的近似线性关系的启发而提出的 ... 如果我没理解错的话, 所有这些现在都可以用 QCD 来理解, 甚至包括那些表观上的 “弦” 行为。 色力线 (color lines) 构成的通量管 (tubes of flux) 在某种近似下就象是细小的弦。 因此我们可以期待某种类型的弦理论可以近似地描述这种现象。 因此正确的物理结论是弦理论是一定能区下的近似理论, 而不是一个基础物理理论。

Simp: 这的确是当时的结论。 但是, 人们后来发现 Veneziano 公式开启了一个广阔而美丽的理论世界, 从中产生了大量的东西。 弦是一些其它规范理论, 比如 N=4 的 Super-Yang-Mills 理论, 的不错的描述。 大 N 极限下的 QCD 也很可能有一个弦描述。

Sal: 我正在读一本很久以前写的书, 其中有这样一段: “... perchè i nostri discorsi hanno a essere sopra un mondo sensibile, e non sopra un mondo di carta.” 大意是: “... 我们的理论必须是关于经验所及的世界, 而不是虚构的世界的”。 以我们目前所知, 您提到的那些理论没有一个是关于经验所及的世界的。

Simp: 弦理论很自然地包含了引力子, 而引力是经验所及的。 而且弦理论在高能下是有限的。

Sal: 但它只有在 26 维时空中才是自洽的, 这可不是经验所及的。

Simp: 这可以用 Kaluza-Klein 紧致来修正。

Sal: 但它带有快子 (tachyon), 这也不是经验所及的, 破坏了理论的自洽性。

Simp: 这可以用超对称来修正。

Sal: 如此下去 ... 你不断地得到新的理论, 它们或者是不自洽的, 或者是与经验不符的, 你不断修正, 使理论变得越来越复杂 ...

Simp: ... 直到最终得到一个理论, 它有可能既自洽又与自然相符 ...

Sal: 也许吧, 但是理论的各个组成部分不是为了解决标准模型中的问题, 也不是为了解决现实世界中的问题, 而纯粹是为了解决由理论的其它部分导致的问题。 根据天主教的教义, 在弥撒中会出现两种奇迹: 一种是葡萄酒变成了真正的血液。 另一种则是血液看上去闻起来象是葡萄酒 ... 后者只是为了弥补前一种奇迹带来的不自洽而添加的 ...

Simp: 别把话题扯开了。 重要的是, 你持续拓展理论直至最后得到一个自洽并且与自然相符的理论。

Sal: ... 或者直至得到这样一个理论, 在其中你再也无法计算任何东西, 再也不能约化到四维时空, 再也不能回到标准模型 ... 并且这个理论是如此的复杂和深不可测, 你再也无法证明它是错误的, 你于是可以声称它包含了所有的物理 - 它们的内容将留待未来的物理学家去发现 ... 而假如出现了问题 - 比如发现所有已知的真空都是不稳定的, 就象最近 Gary Horowitz 及其他人所发现的那样 - 你总可以寄希望于一些别的东西来挽救理论, 因为理论已经复杂到了这种地步 ...

Simp: 如果理论研究的自然演化导致了非常复杂的理论, 这不是理论物理学家的过错。

Sal: 假如这理论物理学家的过错呢? 我想当您说 “理论研究的自然演化” 时您指的是从 Fermi 理论、 QED、 SU(2)×U(1)、 QCD、 标准模型, 到大统一理论、 新 Kaluza-Klein 理论、 超对称、 超引力、 超弦 ... 这条线吧?

Simp: 是的。

Sal: 如果这条 “理论研究的自然演化” 之路在某个地方误入歧途了呢? 在我看来情形正是如此。

Simp: 你指的是什么?

Sal: 举几个例子吧, Dirac 预言了正电子, 我们找到了; Feynman 等人发展了量子电动力学, 我们发现它非常精确; Weinberg, Glashow 和 Salam 预言了中性流, 我们找到了; 他们预言了 W 和 Z 粒子, Carlo Rubbia 找到了, 而且恰好在预言到的能量上 ...

Simp: 这又怎样?

Sal: 但是接下去呢?

Simp: 接下去又怎样?

Sal: 接下去 Veneziano 公式预言了非常 “软” 的高能散射振幅, 结果大自然并不赏脸; 大统一理论预言了质子的衰变, 结果没能在所预言的标度上发现; 复活后的 Kaluza-Klein 理论预言了一种标量场, Dicke 找了半天, 结果没找到; 超对称预言了大量的超对称粒子, 结果虽然一再修改预言, 仍然没找到; 最近超弦理论又预言了额外维度 [译者注: 应为 large extra dimension, 普通的额外维度并不是 “最近” 才预言的, 而且也远非当前实验可以检验的], 结果也没找到 ...

Simp: 也许质子的寿命只比我们预期的稍长一点, 也许超对称粒子只比我们预期的稍重一点 ...

Sal: 当然, 这些都是可能的, 一切都是可能的。 但是以前那一系列惊人准确的成功预言与后来这一系列不成功的预言之间的对比是令人吃惊的。 在以前, 实验粒子物理学家的脸上总是洋溢着微笑, 步履总是如英雄般从容不迫, 仿佛上帝就是一边读着 Phys. Rev. D 一边把理论物理学家的建议变成现实的。 而现在, 理论物理学家们建议的新物理全跑爪洼国去了, 幸好在标准模型中还有些东西可以忙一忙 ...

Simp: 理论的预言总难免会有错误的。

Sal: 是的, 但也终归是有正确预言的, 而这自标准模型之后就一直没有了。

Simp: 那是因为新预言所涉及的能量太高了。

Sal: 根本不是这么回事。 新理论曾做过许多可以检验的预言, 它们完全就是错误的。

Simp: 你打算引申出什么结论?

Sal: 也许大自然在告诉我们, 我们的理论研究之路已经在某个地方误入歧途了 ...

Simp: 这可不是证明。

Sal: 当然, 我们并不知道情况是否真的如此。 但是, 最起码这给了我们一个很强的理由, 让我们去探索被您称为 “理论研究的自然演化” 之路以外的方向。 这也给了我们一个很强的理由, 来用更加警觉的目光审视那种仅仅因为理论研究自然导致超弦理论就认为它一定是正确的的观点。 在相反的证据已经累积起来的时候, 我们为什么还要一起沿着同一条路径走下去呢?

Simp: 也许 ... 但是如果我们发现了超对称呢?

Sal: 那我们就会有一段不同的对话。 但是我已经听到过太多的声明, 声称超对称已经 “即将被发现”。 我曾被告知一些著名的物理学家声称超对称无疑将在一两年内被发现, 否则他们就会改变看法。 这已经是好多年以前的事了, 可他们仍然没有改变看法。 我可以理解改变一个人的看法是困难的, 特别是仅凭实验证据 ... 但是我们究竟应该相信大自然多一些还是自己的想象力多一些? 我记得有位非常著名的理论物理学家在一次重要演讲中曾对着许许多多的数学家说, 他的实验物理学家朋友刚刚告诉他超对称的第一个实验证据已经出现了 ... 他煞有介事地宣布了这一发现 ... 所有人都被震撼了 ... 在那个演讲中, 他还声称在新的世纪里数学家们将要做的就是研究超弦理论 ...

Simp: Sal, 不许嘲讽 ...

Sal: 好吧, 对不起。 让我转到您的另一个观点吧, 那就是超弦理论将所有的东西统一在了一起, 是一个包罗万象的理论。

Simp: 你无法否认这一点。

Sal: 我不否认这一点。 但我不很确定追寻一个包罗万象的理论是一种正确的思路。

Simp: 这是物理学家们的古老梦想。

Sal: 是的, 但那从来都没有成功过。 这次也可能会失败。

Simp: 这次不同。 我们有了几乎可以解释所有观测现象的理论。

Sal: 这次和以往各次没有任何差别。 物理学家们曾经不止一次地相信自己已经有了可以解释 “几乎所有观测现象” 的理论。 那种认为我们 “几乎” 有了终极理论的感觉在量子力学前夕有过, 在 Maxwell 时代有过, 在 Newton 之后不久也有过 ... 可惜每次都是错误的 ...

Simp: 我不是历史学家。 但这次也许是正确的 ...

Sal: 有什么证据吗?

Simp: 超弦理论 ...

Sal: 一个 - 我们已经一致认为 - 迄今为止并不描述我们生活的世界, 无法给出任何精确而无歧义的预言, 并且 - 我还可以加上一条 - 其基础还完全不清楚的理论?

Simp: 慢着, 超弦理论的情况没你说的那么糟吧。 比方说微扰理论让我们可以计算出深度量子引力能区中的所有有限散射振幅。

Sal: 真的吗? 量子引力能区是指质心系能量远高于 Planck 能量的能区。

Simp: 是的, 那又怎样?

Sal: 那正是微扰展开式不再收敛的区域 ...

Simp: 你指的是展开级数本身的发散, 而不是级数中各单项的发散。

Sal: 是的。

Simp: 级数本身的发散是所有量子场论的共同特点。

Sal: 是的, 但其它那些量子场论都是近似的。 我们总可以寄希望于新的高能理论, 而现在我们讨论的据称是一个终极理论 ... 难道一个终极理论也不能让我们计算到 Planck 能区吗?

Simp: 好吧, 就算微扰理论不行吧 ... 可我们还有非微扰部分呢 ... 在一些情形下我们有可能给出散射振幅的非微扰定义, 比如在 11 维时空中, 或是在渐近 AdS 时空中的 AdS/CFT 对应下。

Sal: 能给出一点跟我们这个宇宙有关的东西吗?

Simp: 不要嘲讽, Sal, 你不能忽视超弦理论中的这些非微扰部分。

Sal: 你指的是对偶性吧, 那些在强耦合与弱耦合之间的映射, J. Polchinski 的膜之类的东西吧 ...

Simp: 是的, 超弦理论远比我们预期的更为丰富, 它的内涵之丰富简直是神奇的 ...

Sal: 我知道, 我也听过许多充满激情的报告 ...

Simp: 结果呢?

Sal: 什么结果?

Simp: 那些难道都没能让你相信吗?

Sal: 相信什么?

Simp: 相信我们已经开始理解理论的非微扰部分, 令人瞩目的结果已经显现出来了。

Sal: 你是说我们已经理解了理论的非微扰部分, 可以对非微扰能区进行常规计算了?

Simp: 那还差得远。

Sal: 因此, 超弦理论还不能让我们计算出深度量子引力能区中的有限散射振幅 ... 您赞成这样一个说法, 即我们对超弦理论的微扰区域已经有了较好的了解, 在这个区域中它与现实世界并不符合; 而我们对非微扰区域的了解才刚刚起步, 还不清楚它是否与现实世界有关系吗?

Simp: 我想我赞同。

Sal: 您看, 这就是经过了这个星球数以百计最聪明的物理学家这么多年研究的结果 ... 在我看来这与真正能让我激动的结果相比是很欠缺的 ...

Simp: 那只是你的个人品味 ... 别忘了这样一个坚实的结果, 那就是超弦理论给出了量子引力下的有限微扰展开式。

Sal: 不错。 我承认这的确是令人瞩目的。 但即使对这个结果我也有所怀疑。

Simp: 怀疑?

Sal: 有人证明过超弦理论在所有各阶都有限吗?

Simp: 大家都是这么说的。

Sal: 大家都是这么说的, 可有人确切地知道吗?

Simp: 有很多迹象表明这一点。

Sal: 很多迹象是不能等同于确切知道的。 以前也曾有很多迹象表明超引力在所有各阶都是有限的, 一些著名物理学家还欢欣鼓舞地声称终于找到了终极理论。 结果超引力被证明在三圈图或其它某圈图上不是有限的。 [译者注: 超引力在两圈图层次上发散]

Simp: ... 嗯 ...

Sal: 让我把问题简化一下吧: 有任何一篇论文、 一部专著或者一个报告曾经证明超弦理论在所有各阶都有限吗? 我不要求能让数学家信服的证明, 只要能让一个稍有些批判头脑的场论学家信服就行。 1986 年 Green, Schwarz 和 Witten 在他们的书中提到这种有限性是所有超弦物理学家的共同信念, 但还没有完整的证明。 现在十五年多过去了, 我们找到证明了吗?

Simp: 我不认为现在已经有了这样的证明 ...

Sal: 事实上, 我曾经试图寻找这样的文献。 我发现微扰有限性从未在两圈图以上得到过证明。 事实上, 我们甚至连亏格数 2 (genus 2) 以上是否存在超弦振幅的明确定义都还不知道。 我们不清楚在那种情况下理论本身是否有明确的定义。 当然我不曾问过那些只对可能性充满乐观的人, 除了几个声称很久以前有过只有他们才看得懂的晦涩证明, 却又想不起究竟是什么论文, 更没有依照承诺把论文寄给我的人。

Simp: 听着, 你既然学了一些超弦理论, 应该感觉得到那是一个美丽而且广阔的理论。

Sal: 是的, 但是 “... 我们的理论必须是关于经验所及的世界, 而不是虚构的世界的”。

Simp: 超弦理论描述的并不是一个完全虚构的世界。 它预言了费米子、 规范场、 量子理论, 特别是它还预言了引力。 在一个引力不曾被观测到的世界里, 一位超弦理论学家将可以预言引力的存在。

Sal: 教授, 您真的相信这种说法吗?

Simp: 嗯, 也许未必。

Sal: 在一个引力不曾被观测到的世界里, 一个理论物理学家一旦发现 Veneziano 振幅与现实世界不符, 将会立即抛弃它。 我们之所以对弦理论感兴趣正是因为我们已经知道了引力的存在。 若不是已经有了关于引力的知识, 弦理论根本就不会有人去认真理会。 我可以杜撰一个包含标准模型与一个新的叫做 Pippo 场的理论, 其中 Pippo 场不能离开标准模型而存在, 然后我可以声称: “看吧! 我的理论真伟大: 假如我们不知道有标准模型, 我的理论将会预言它的存在! 因此我的 Pippo 场也一定是存在的” 这显然是胡扯。 我们一向只研究与我们已知的东西相符的理论, 因此那种自豪地声称理论与我们已知的东西相符的做法是愚蠢的, 这就好比让 Weinberg 声称他的 SU(2)×U(1) 理论 “预言” 了电磁相互作用, 在一个电磁相互作用未被观测到的世界里, 他的理论将会预言电磁相互作用的存在。 这是胡扯, 因为在一个从未观测到电磁相互作用的世界里他根本就不会提出那样的理论。 事实上, Weinberg, Salam 和 Glashow 从来没有这样声称过他们的理论。 他们的理论真正令人瞩目、 给人们信心的是中性流以及 W 和 Z 粒子 ... 把超弦理论中存在引力这一点做为一个重大成果煞有介事地加以宣称只不过是对超弦理论无法确切预言任何新东西这一窘迫事实的一种绝望的逃遁 ...

Simp: 我想许多人也许会同意这点 ...

Sal: 现在我们只剩下最后一个观点了: 超弦理论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。 而这把我们的话题引向了圈量子引力。

Simp: 谈够了超弦?

Sal: 是的, 现在轮到您出招了 ... 在目前这种尚无任何理论被实验证实的情况下, 这可比防守容易 ...

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