超弦理论：难解的宇宙交响乐
来源：中国科技网 新科技话题 第 62 期 2012.7.23
"疑似上帝粒子"现身，物理学界一片欢腾。
而在北京中关村的一间办公室中，某位中年学者一边为此兴奋，一边期待更"过瘾"的分析结果，因为他研究的理论还可以接纳更新奇的粒子，探索比"上帝粒子"更终极的谜题；而另一些时候，他却会怀疑那套理论不一定正确。
这位学者就是中国科学院理论物理所研究员李淼，他的主要研究内容就是超弦理论--也许你曾在美剧《生活大爆炸》台词中隐约听说过它，但它究竟是何方神圣？
找到"上帝粒子"，也远非终极答案
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在欧洲核子物理中心宣布很可能发现"上帝粒子"之后，李淼在微博中表示，新粒子的质量133GeV（相当于125个氢原子）似乎太轻。
他和一些理论物理学家认为，如果希格斯粒子真的只有这么重，那么一定能量水平下的真空可能会呈现不稳定状态，与现实不符。不过，由于以往对希格斯粒子的质量并没有十分明确的预言，因此还需要继续等待进一步分析。 
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如果宇宙在3维空间、1维时间之外还有更多的维度，为何至今都没有被科学家所发现？
对此科学家经常打的一个比方是，一只蚂蚁在一张纸上行走，它可以向右、向左、向前、向后，但对它来说高与低均无意义。也就是说尽管第3维的空间是存在的，平面上的蚂蚁却认识不到。
另外根据1990年代提出的膜理论，另外7个维尚未被感知，是因为它们自身"卷"在了一起，在三维空间只有极小的投影，被称为压缩的维。
* 物理学标准模型不够"美">
这次新发现让许多物理学家欢呼，是因为若真发现了号称"上帝粒子"的希格斯粒子，一张名为"物理学标准模型"的宏伟画幅就将填补上最后一块拼图--它所预言的全部基本粒子都被找到了。
然而，尽管这个标准模型的绝大部分早已被一次次科学实验证明，但在一些理论物理学家眼里，它还是不够"美"。
按照标准模型，是电子、夸克、胶子、光子、中微子......等62种不可再分的基本粒子构成了原子、分子和世间万物。然而基本粒子的种类竟如此之多，质量、性质等千差万别，相互作用的机制也非常繁冗，简直比元素周期表还复杂。
肩负探寻最基本自然规律的神圣使命，物理学向来追求"简单才是美，不美非真理"，如此复杂的模型怎么能是宇宙的终极奥秘呢？好在自上世纪60年代末以来，一项名为"弦论"的新理论声名鹊起，经数十年发展演变成现在的超弦理论。
超弦理论的核心很简洁，就是认为所有基本粒子在本质上没有区别，都是一段在高维空间振动着的"弦"；每根弦完全相同，只是振动方式不同。无数振动着的弦投射到我们生存的三维世界，就像把三维世界中看到的景象投射在二维的电影屏幕上，就成了人类能认识到的各种基本粒子。
如果人类也能"听"到弦振动的声音，那么每个基本粒子都是一个音符，原子就是乐句，分子就是乐段，人类和世间万物就是无数的乐章，而整个宇宙则是一首无比恢弘的交响乐，从宇宙大爆炸的时刻开始演奏，直到宇宙的终结。
*远看像粒子，近看才是弦>
"虽然还是不明白在说什么，但是听起来很厉害的样子"，要用几句话勉强解释超弦理论，恐怕只能到这个程度了。不过外行看超弦理论有个好处，就是只要记住"所有基本粒子都是弦的不同振动形式"就行了，总比弄清一大堆名字晦涩、拗口还带希腊文的粒子谁是谁简单多了吧。
或许还要解释一下，什么是高维空间呢？我们平时感知到的空间，由长宽高三个维度构成，加上时间就是四维时空。而在超弦理论尤其是比较新的膜理论中，整个时空共有多达11个维度。
"现有物理实验还无法证明高维空间的存在，是因为这对目前的观测手段来说太‘远'了。"李淼说，"就像一根长长的管子远远看去，就像一条粗细为零、只有一个维度的直线；而在更远的距离眺望，一个人也只是个零维的小黑点。"
那么多维空间究竟是什么样子？把一张纸看做二维平面，纸上画的小人则是这个平面世界中活生生的"二维生物"。如果你用一个指尖轻轻触摸这张纸，画中的小人只能看到指尖在平面上的小片印痕，根本无法想象你这个"三维人"长什么模样。同样，对于多维空间的景象，就是最有想象力的科学家、科幻作家和电影导演，也难以将其直观表现出来。
美丽的理论，却找不到证明手段
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自1920年起，一直到1955年去世，爱因斯坦都在寻求发现"统一场理论"一一对于当时宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。
但即便是对这位不世出的物理学大师，这一难题也如高山般不可逾越。首要的重大障碍，是如何把解释引力的广义相对论和解释电磁力的麦克斯韦方程这两大杰作，结合成为一个统一模式。
根据广义相对论，引力是我们周围的空间与时间的结构本身扭曲的结果；与此对照，麦克斯韦的方程则把电磁力看作一种穿越四维领域流动的"力场"。这是两种不同的世界观，在数学上也难以融合。 
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由欧核中心建造、位于瑞士与法国交界处的大型强子对撞机（LHC）是目前全球最大的物理实验装置，总投资30.68亿瑞士法郎，轨道总长27公里，设计对撞能量达14GeV。
图为地下隧道内的加速轨道一角，而真正发生粒子对撞的对撞点，仅仅是一段长7厘米、半径4厘米的纯铍外壳真空管。
*求"终极理论"，众里寻他千百度>
半个多月来，李淼写了N篇博客，接受了N次采访，却几乎没谈这次新发现和自己研究的超弦理论究竟有何关系。
"超弦理论探讨的问题，比标准模型更高级、范围更广大。这次发现对能否完善标准模型意义重大，但还说不好对超弦理论会有什么直接帮助。"说到这里，李淼露出了理论物理学者传说中的玩世不恭："其实我倒更期待，最后发现的是一种谁都没预言过的新粒子，那样更有意思吧。"
比起多少能吸引公众眼球的大型物理实验项目，超弦理论研究似乎超脱得有点无奈。但李淼绝不会因此而寂寞，国内外都不缺迷恋超弦的物理学者--虽然其中很少有《生活大爆炸》主角、超弦专家谢尔顿那样的极品狂人。
超弦理论的魅力，不仅在于优美、简单（相对而言），更在于它被视为物理学界多年来翘首以盼的"终极理论"，或称"万物理论"（Theory of Everything）。
物理学发展到今天，人类发现了自然界的四种基本作用力：引力、电磁力，以及只作用于微观层面的强力和弱力。其中引力早在牛顿时代就率先被发现，但其作用机理一直未被弄清；爱因斯坦穷尽后半生，试图建立能同时解释引力和电磁力（当时只发现了这两种）的"统一场理论"，也最终抱憾而逝。而在超弦理论的体系中，引力之谜有望得到破解，四种基本作用力也能被全部纳入。
不仅如此，相对论和量子力学这对同在20世纪上半叶横空出世、却至今相互矛盾对立的物理学双璧，也有望在超弦理论中得到统一。
*离实验太远，灯火阑珊也难"处">
理论上美好是一回事，但即便是侦探推理也得讲证据，一项科学理论更要通过实验检验才能上升为真理。相对论和量子力学从"异端邪说"登堂入室被学界认可，也是踩着坚实的实验观测结果一步步走过来的。
而验证超弦理论就麻烦得多。弦在三维空间中的尺度，要比人类现有技术能探测到的尺度还要小1016倍。如果按当今最强大的粒子加速器--大型强子对撞机（LHC）给粒子加速的效率，至少要把它造得跟银河系那么大，才能让科学家一窥弦的面目。
此外在数学层面，超弦理论的宏大和包容也带来了麻烦。 "物理学界曾对弦论寄予了太高期望。"李淼说，"现在看来，它已经不那么‘美'了，因为它有太多的解。"
"太多的解"，就是超弦理论可以适用于不同的宇宙。而在其他的宇宙中，光速等物理常数可能都跟我们的宇宙迥然不同。这对科幻作家来说可能是绝佳素材，但理论物理学家毕竟还是讲严谨、重传统、要节操的，这无数种可能性对他们来说委实太疯狂了些。
"我现在已经不迷恋超弦了，碰到心情不好的时候，甚至还对它怀疑过。"李淼笑称，"它可能不一定是‘万物理论'，不过至少也是‘Foundation of Everything'（万物起源的理论）。"
头脑无极限，还要靠笔来算
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从"弦理论"升级到"超弦理论"，主要体现在与"超对称理论"的结合。
超对称理论认为，物理学标准模型中的每一种基本粒子，都有与之相对应的"伴子"，只有这样才能将量子力学能够解释的电磁力、强力和弱力三种基本作用力统一在一个理论体系中。同时，超对称也为暗物质的存在提供了一种解释。
不过至今为止，物理学家还完全没有发现"伴子"的蛛丝马迹。有观点认为，此次欧核中心发现的新粒子，可能就是一种超对称粒子--虽然这种可能性并不大。
* 好脑瓜，烂笔头，一个都不能少>
在媒体报道中，霍金的大名时常和超弦理论捆绑在一起。这位身躯被轮椅禁锢、思维却无比深邃的物理学大师，与玄妙的超弦理论看似颇为相配。
其实，尽管霍金对超弦理论很感兴趣，也对此做了不少科普，但他并未直接研究过超弦。"弦论刚提出的时候，霍金的身体状况就很差了，做不了复杂的计算。"
李淼表示，研究超弦和许多理论物理研究一样，不仅有赖于天才的想法，还需要一支勤奋的笔。"理论物理学者的大部分工作，尤其是青年学者出成果的时候，除了看文章、做讨论，主要就是数学计算。"
不过，在物理研究动不动就跟对撞机、质谱仪、超级电脑等高精尖装置挂钩的21世纪，用一支笔搞计算是不是落伍了点，比"民科"的条件也强不了多少吧？
李淼的回答是，强大的数学基础，同样是正牌研究人员才有的"科研设备"。重要的物理公式看上去都挺简单（比如爱因斯坦著名的E=mc2，以及中学课本上的牛顿三大定律），但在这些公式的背后，都是各种高深专业的数学知识。
"而目前的计算机功能再强，也只能承担机械、重复的具体数据处理工作，提出基本公式还要靠人的头脑。"
* 做超弦，太"超前">
上世纪七八十年代，曾有物理学家将弦论称为"21世纪的理论"，意思是它比当时的实验水平、理论基础超前太多。如今21世纪头十年也已过去，目前的人类科技仍然对它无能为力，只能期待不知何处会冒出意想不到的间接证据，提供一点线索。
霍金1999年曾公开宣称，愿打赌人类能在20年内找到"万物理论"。时光又过去了13年，霍金"屡败屡战"的赌局和老顽童个性，使人们很难再信他一回了。
当然，即便对那些比霍金更年轻、身体更好的物理学家而言，恐怕内心也期盼着能在有生之年看到"万物理论"--用李淼的话说，"这怎么是仅仅为了满足我们一小撮人的求知欲呢？这是为了全人类知识的积累。"
顺便说一句，对于何时才能验证超弦理论，李淼自己也曾在某次演讲中估了个期限："今后50年到1000年内皆有可能"。
自从现代物理学突破了"原子不可再分"的界限，人们在近百年间寻获了越来越小的粒子，也为此动用了越来越大的实验装置。然而随着这条路逐渐走向尽头，却响起一个振聋发聩的声音：看似构成世间万物基本单元的粒子，可能并不是物质奥秘的终极答案，我们这个宇宙中的一切很可能只是更高维空间的投影--物质只不过是空间本身而已，一切都是"空"。
或许有朝一日，科学家终将探清弦的真面目。即便世间万物皆是弦的化身，人类也无需为"本来无一物"而烦恼，因为宇宙结构本身的玄妙已值得惊叹。