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在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

作者:由 天文同好樂園 發表于 歷史日期:2023-02-06

格拉肖是研究什麼的

“弦理論”名稱的由來是振動的基礎“弦”,它也是最初構建該理論的核心。弦理論認為,量子理論中所有基礎的亞原子粒子都存在於弦理論中,它們是由弦的振動而來,弦的不同的振動對應不同的亞原子粒子。這一點非常像是從振動的小提琴琴絃產生出的不同的音符。從原則上來說,理論中構想的由弦振動產生粒子的模式應該可以透過實驗來驗證,只有透過實驗驗證得到明確的、肯定的證據,才能認為這個理論是成功的。

在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

但是,弦理論家們似乎並不是這樣想的。他們似乎想依靠純粹的、優美的數學模型來詮釋弦理論,而非透過實驗驗證。當代很多著名的物理學家都承認弦理論的確是一個優美的理論,而且它似乎也最有可能成為終極的統一理論——一個包含廣義相對論與量子力學的量子引力理論。但也有許多物理學家們認為,純粹依靠理論並不能夠破解弦理論的僵局,如果無法得到實驗驗證,如何才能證明理論是正確的?在尋找統一理論這個目標上,愛因斯坦和格拉肖用的方法和絃理論用的方法如出一轍,但他們都失敗了,弦理論家很有可能也是選擇了一條不歸路!

在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

雖然愛因斯坦確實是藉助於數學最終完成了廣義相對論,這也導致他職業生涯的後期更具有數學傾向,認為數學能解決一切問題。但很顯然,廣義相對論之所以能夠被大眾接受,一個重要的原因是這個理論中有很多方面都是可以被實驗驗證的,比如光線的彎曲。然而,儘管愛因斯坦將數學成功地應用到了廣義相對論中,但當他後期試圖建立新的統一理論——量子引力理論時,依靠數學研究從從來未能取得成果。

在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

同樣的例子也出現在謝爾登·格拉肖身上。格拉肖提出了大統一理論,運用的方法和愛因斯坦類似,即用純理論構建。但有一點與愛因斯坦不同,格拉肖的大統一理論作出了可以被檢驗的預測,這個理論預測了質子的衰變,而質子的衰變是能夠被觀測到的。於是實驗物理學家們建造了巨大的池子,其中裝滿了被測材料,希望其中哪怕有一個質子發生衰變而記錄下可見訊號。然而最終什麼都沒有發生,從而大統一理論也被否決了,格拉肖重蹈愛因斯坦的覆轍,也失敗了。

在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

弦理論也會這樣嗎?很難說。除了量子理論中的所有粒子,弦理論還預言了會出現新的粒子,假如未來能夠在大型強子對撞機中發現弦理論預言的新粒子,那麼毫無疑問弦理論成功了。但是,根據理論,絕大多數粒子很可能因為太重、對撞機能標達不到而不可能被觀測到,這就成了一個無法破解的死結。另外,在當前的弦理論構建的模型裡,包含了太多的粒子、太多的相互作用、太多的維度,遠遠超出在我們這個真實世界所能檢驗的能力範圍。那麼,弦理論最終還能夠走多遠?