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弦理论的局限性

《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？克罗斯认为，这三大困惑还互相关联，而且都需要对量子力学有新的认识，但他对物理学界看好的超弦理论和圈量子引力理论作了拼击.他说，弦理论的时代会过去，因为面对物理学家的三大困惑，弦理论和圈量子引力理论所做的是，通过不小于某一特定距离的尺度来绕过困难.这是因为如果超过该尺度，事物将以不同的方式作用.从解决物理学问题的意义上，弦理论没有做出太大的成绩，虽然它产生了许多有趣的数学发现.弦论的时间观与相对论的时间观基本等同，并且进一步地认为时间可以卷曲或舒展，甚至认为不能给时间一个准确的定义.显然，这就与时间是空间及运动的天文学本质也不相关.沈志远教授认为：“基本方程是统一场论核心；弦论至今尚缺基本方程，圈论虽有宏观方程，并不适用于微观基本粒子，称不上基本”.

1.自然界是超对称的吗？如果是，超对称性是如何破灭的？

许多物理学家认为，把包括引力在内的所有作用力统一成为单一的理论要求证明两种差异极大的粒子实际上存在密切的关系，这种关系就是所谓的超对称现象．第一种粒子是费密子，可以把它们粗略地说成是物质的基本组件，就像质子、电子和中子一样．它们聚集在一起组成物质．另一种粒子是玻色子，它们是传递作用力的粒子，类似于传递光的光子．在超对称的条件下，每一个费密子都有一个与之对应的玻色子，反之亦然．物理学家有杜撰古怪名字的冲动，他们把所谓的超级对称粒子称为“ｓｐａｒｔｉｃｌｅ”．但由于在自然界中还没有观察到ｓｐａｒｔｉｃｌｅ，物理学家还需要解释这种对称性“破灭”的原因：随着宇宙冷却并凝结成现在的这种不对称状态，在其诞生之际所存在的数学上的完美被打破了．

2.为什么宇宙表现为一个时间维数和三个空间维数？

这只是因为还没有想到一个可以接受的答案，只是因为除了上下、左右、前后，人们无法想像在更多的方向上运动．这并不意味着宇宙原本就是这样的．实际上，根据超弦理论，肯定还存在着另外六个维数，每一维都呈卷曲状，十分微小，因而无法察觉．如果这一理论是正确的，那么为什么只有这三个维数是伸展开来的，留给我们这个相对幽闭恐怖的空间呢？

3.M理论的基本自由度（M理论的低能极限是11维的超引力，它包含5种相容的超弦理论）是多少？

这一理论理否真实地描述了自然？多年来，超弦理论最大的弱点是它有5个不同的版本．到底哪一个--如果有的话--描述了宇宙？反对这一理论的人最近已经接受了被称为M理论的最主要的11维理论框架．但情况却因此变得更加复杂．在M理论前，所有的亚原子粒子都被说成是由微小的超弦组成的．M理论给组成亚原子的物质谱加了一种叫做“膜”（ｂｒａｎｅ）的更为神秘的物质，它就像生理学上的膜一样，但最多有9个维数度．现在的问题是，什么是更基本的物质组成单位，是膜组成了弦还是刚好相反？或者另外存在着一些更基本的物质单位，只是人们没有想到罢了？最后，这两种东西中是否有一种确实存在，或者M理论仅仅是一种迷人的大脑游戏？

4.何种物理学能够解释基本粒子的重力与其典型质量之间的巨大差距？

换言之，为什么重力比其他的作用力（如电磁力）要弱得多？一块磁铁能够吸起一个回形针，即使整个地球的引力在把它往下拉．根据最近的一种说法，重力实际上要大得多．它仅仅是看上去比较弱而已，因为大部分重力陷入了某一个额外的维数度之中．如果我们可以用高能粒子加速器俘获全部的重力，也许就有可能制造出微型黑洞．虽然这看上去会引起固体垃圾处理业的兴趣，但这些黑洞很可能刚一形成就消失了．

5.超弦理论是一个有望成功地统一自然相互作用的理论，但它到底是什么？

6.存在低能超对称吗？超对称伴子的质量谱是什么？

7.弦理论会被证明是正确的吗？

剑桥大学的物理学家戴维·堂（DavidTong）则着迷于弦理论的数学之美.弦理论认为我们观测到的基本粒子并不是“点”状的而是微小的“弦”.但当他意识到兴许在他的有生之年也无法知道这一理论是否真的能描述宇宙万物的时候，他也感到了茫然.即使是大型强子对撞机和“普朗克”卫星这些旨在揭示出新物理学的实验也无法对弦理论下任何决定性的结论.另一方面，有些弦理论预言自然界还存在一种极其微弱的力，对于不同组成的物质它会使得引力发生微小的变化，这就会使得不同的物体在引力场中以不同的速度下落.但这一差别远远小于目前可测量的范畴.不过当他知道弦理论中的方法还可以用于其他更实际的问题——例如，夸克的行为和特殊金属——时，他也感到了一丝欣慰.“这是一个有用的理论，”堂说，“因此我正试图专注于它的应用.”

大量实验证实，非定域性是量子力学的一个基本属性.当前，量子引力理论中的超弦理论的时空背景相关性，与圈量子引力理论中的时空背景无关性同时存在，是物理学中潜在的对于时空本质不同态度的一次大碰撞，这种困难预示着物理学需要一次概念的变革，首当其冲的就是时空.时空观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，不同的时空观念将导致不同的理论研究方向，任何对于时空概念的更新和深化，势必对整个物理学产生巨大的革命性的影响.

7.1该理论能够给其理论内容范围之内的观察事实提供解释.理论的成熟程度与能解释的观察事实的全面性、准确性、无歧义性成正比.如果该理论不能给其理论内容范围之内的观察事实提供解释，那么这个理论就毫无意义了.如果理论的框架十分庞大、外表十分华丽，而能解释是事实并不多，理论的成熟度显然不够.当前的两个“标准模型”（宇宙学标准模型理论和粒子理论标准模型）就存在这样的问题，仅仅是因为“市面”上还没有比它们更好的理论，所以才获得“标准”的美名.说明它们仍然需要进一步改良和发展.

7.2为建立该理论的公理、假设和参量是充分的和必要的.因为公理和假设是理论的基础，因此理论的成熟程度与公理和假设的严密程度成正比，与公理、假设和可调节参量的数量成反比.粒子理论的基本假设就不够严密，它以同位旋不变性这个假设为重要前提，但是事实上同位旋不是一个好的量子数，所以QCD中的同位旋和SU(3)其实是人为塞进去的，然后硬是与SU(2)xU(1)结合起来构造出的理论.标准模型明显的存在假设和可调节参量过多（据他们自己承认多达20个，但是事实上不止，因为轻子和夸克质量参数已达12个，4种规范场量子有中间玻色子、光子、胶子和引力子也达13个加上黑格斯子共达23个，加上不计精细结构常数的耦合强度系数有3个，还有混合角等参数至少4个，因此参量多达30个以上）的问题.尽管这样，QCD和其标准模型仍然解释不了多少事实，所以QCD和标准模型事实上是相当不成熟的理论，只是因为参与建造的权威非常多，于是就黄袍加身罢了.

7.3该理论应该是一个逻辑系统.不可存在内部逻辑混乱、自相矛盾之处，是自洽和完备的.因为数学是表现逻辑的最好方法，所以理论应尽可能数学化.这里应注意数学化的目的是使该物理理论的逻辑系统严密化、简明化和可操作化，而不是使物理数学化，来个喧宾夺主，可是现在的物理理论却不遗余力地力图走这条路，以至于用数学的结果代替物理结论，认为只要数学上可靠的结果，必然是物理上可能的结果.

7.4该理论应该具有预言性和可证伪性.即不但能够提出还未被观察到的可能性，还可以具有被质疑的余地.预言的证实和准确度是理论成熟与否的重要标志之一.可证伪性是包含了预言的可重复性这一必要条件在内，所以是该理论能够经得起考验的科学标志.没有预言性和可证伪性的理论都不是科学理论.超旋理论提出了存在大量（至少与已知的一样多）粒子的预言.可是一个也观察不到，因此也可以说它已经是被证伪了的理论.

7.5物理理论必须同时是可定量的科学.理论给出的计算值与观察量的吻合程度是理论质量的重要标志.物理理论是严密的科学理论，它只能允许理论上肯定存在（如测不准关系）的偏差和测量仪器限制的及环境条件所造成的技术性偏差.然而粒子理论的标准模型却视电磁质量差这个这个明显的事实于不顾，想当然的设定它为电磁作用的后果，以同位旋不变为基础，洋洋洒洒地建立起一套理论来，在数学方法上看似十分严密，但是岂能因为数学的严密就必然能构成严密的物理理论，因为事实上粒子理论离开给出完整的质量谱还遥远着呢.

7.6一个成熟的理论还应具有可扩延性，即该理论与相关的理论可以在一定的边界条件下相互自然的衔接，如果能够通过推广甚至延伸为相关的理论的，则更为优良.相对论和量子力学相对于经典物理都具有这样的特点，但是它们两者之间却不能满足可扩延性.

施瓦布认为，学科的实质结构应具有以下特点：①可修正性与多样性.如相对论对经典力学时空观的修正、量子力学具有不同形式等都可以说明这一点.②学科实质结构之间具有内在联系性和相互依赖性.现代科学探究倾向于通过模型构建解释原理的做法，实际就是建立在对这一点的认识上.凡是能够进入科学知识宝库的，非有独创性莫属.而独创性的东西，无一不是新颖的、前所未有的，总会或多或少地难以与现存的科学概念框架和社会习俗或传统相容.当这样的新东西积累到相当程度时，旧的科学概念框架无法容纳了，于是便出现科学危机.在科学危机时期，相当多的科学人往往依旧墨守旧观念——要知道，即使独创性的科学观念，经过一定的历史时期，也会蜕变为僵化的教条乃至迷信，从而妨碍科学前进的步伐.此时，科学的批判或启蒙应运而生，以便为新观念的涌现扫清思想障碍.在对千疮百孔的旧科学概念框架修补无济于事之时，科学革命就来临了——这是科学的内在逻辑.科学革命打碎了旧科学框架，引起科学观念急剧而根本的改造.新科学观念具有难以估量的精神力量，它会越出科学共同体，在社会、文化、思想层面产生摧枯拉朽的效应.情况正如李克特所说：科学并不是通过“扩散”进入其他文化的，而是作为摧毁其他传统文化形式的一种力量进入的，而且它反过来也同样破坏性地作用于西方传统之上.

巴里·派克在《爱因斯坦的梦》一书最后指出——“将会有一位新的爱因斯坦降临，把所有这一切弄到一起……过去的情况似乎是这样的：巨大的跨步常常是由单个个人作出的”.