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弦理论可能被验证吗?我们又该如何看待对弦理论的批评?

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当今在物理学上主要、且唯一有可能成为万物至理的物理理论是弦理论,这已成为众多具有前瞻性眼光的物理学家们的公认。但是,反驳的声音也如影随形,从没有停歇过。有反对者曾用讽刺的口吻称:“要想在顶级大学谋得终身职位,你就必须研究弦理论,如果不这样,你就会被解雇。”

弦理论诞生于1968年,两名年轻的博士后加布里埃尔·韦内齐亚诺和铃木真彦无意中发现了一个公式,该公式似乎可以描述亚原子粒子的碰撞,很快,人们发现这一伟大的公式可从弦的振动中得出。但该理论到了1974年就逐渐销声匿迹了,一个新的理论——量子色动力学,或者称“夸克间强相互作用”理论横空出世,使其他理论黯然失色,大队人马放弃了弦理论转而研究量子色动力学。

对于弦理论来说,那是一个黑暗的年代,尤其当人们发现那些“弦”只能在10维和26维中振动时,一些顽强坚持研究弦理论的人被看成是愚昧而顽固不化的“异类”。弦理论的先锋人物、加州理工学院的约翰·施瓦茨就曾被理查德·费曼诙谐而又讽刺地问:“约翰,那么你今天进入了几个维度?”诺贝尔奖得主、夸克模型奠基人穆雷·盖尔曼很同情那些弦理论家,因此在加州理工学院设立了一个“濒危弦理论家保护区”,从而使得像约翰·施瓦茨这样的科学家不至于失业。

当今对弦理论最主要的一种批评之声是——无从验证,批评家声称,需要一个银河系那么大的核粒子加速器才能验证该理论。但是,这种批评忽略了一个事实:大多数科学的研究方式都是间接而非直接的,就像从未有人去太阳上直接考证,但人们通过分析它的光谱线就知道了太阳主要是由氢组成的一样。

再比如黑洞理论,由约翰·米歇尔于1783年提出,到了1939年,爱因斯坦写了一篇论文,说明这类天体是无法直接验证的。直到2019年之前,黑洞存在的证据都是间接获得的,但2019年4月,人类首次获得了黑洞的真实影像。还有一个著名的例子就是中微子,1930年,物理学家鲍里提出了存在中微子,它的行踪十分诡异,能够穿过星系、行星而不被吸收。在当时根本无法验证,所以没几个人相信它真的存在。然而今天,物理学家已经能够制造出中微子束。

上面这些例子也许并不能减弱对弦理论的批评之声,但事实上,实验物理学家们正在积极开展对弦理论的间接验证,有不少实验都将对弦理论的正确性作出第一次间接验证,具体为:一,大型强子对撞机(LHC)有可能产生“超粒子”,而这正是超弦理论预测出的弦的高层次颤动;二,LISA(激光干涉引力波天文台)和它的后继者BBO(大爆炸探测者)也许足够灵敏,能够探测到大爆炸发生时产生的引力波残余,而这也是弦理论中预言存在的。

三,许多实验室正在通过分析在微小距离上的“牛顿平方反比定律”的偏差,来探寻高维度的存在(如果存在第四维度空间,那么重力就应该遵守“立方反比定律”),而弦理论不但预言了高维的存在,它自身也只能在高维中立足。四,许多实验室正在搜寻暗物质,弦理论对暗物质的物理属性作出了详细可靠的预测,认为暗物质可能是弦的另一种高层次颤动,如光微子。

最后,科学家还希望通过一系列的实验,如通过分析宇宙射线(其能量远远超过LHC的能量)的异常,探测出微型黑洞以及其他异类物质的存在,这些也是弦理论中预测可能存在的。相信在不久之后,宇宙射线实验和LHC实验,将在量子力学标准模型之外,开辟出一片崭新的、令人振奋的科学前沿。著名物理学家史蒂芬·霍金生前曾经说过,在下一个20年里,会有50%的概率发现万有理论。而弦理论作为唯一一个能够将爱因斯坦的引力理论和量子理论融合在一起万有理论,必将迎来新的发展高潮。

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