超弦理论的最新成果 弦理论是伪科学

有人说弦力理论是伪科学怎么回事?超弦理论是谁提出的?超弦理论的最新成果是什么?超弦理论与灵魂有关系吗?经典物理学认为，宇宙空间是三维的，可以用长、宽、高来描述宇宙中任何一个物体的位置，就像在直角坐标系中可以用(x，y，z)来描述任何一个点的位置一样。在宇宙中有无数的象银河系一样的星系，里面有无数的星体，包括无数的恒星、行星。由于恒星的质量远远大于行星，所以宇宙的质量主要由恒星决定。

超弦理论的最新成果

经典物理学认为，宇宙空间是三维的，可以用长、宽、高来描述宇宙中任何一个物体的位置，就像在直角坐标系中可以用(x，y，z)来描述任何一个点的位置一样。在宇宙中有无数的象银河系一样的星系，里面有无数的星体，包括无数的恒星、行星。由于恒星的质量远远大于行星，所以宇宙的质量主要由恒星决定。

然而现代科学发现，宇宙的结构还不是这样简单。在基本粒子、基本相互作用力等领域研究中，科学家们发现，我们的宇宙可能不是简简单单的一个三维空间。“超弦理论”预言宇宙还有其它7个时空存在，而“膜世界”理论则表明我们人类所生存的空间只是多维宇宙的一个层面(膜)。下面介绍的是科学家对宇宙暗能量的研究成果，从另一个角度对多维空间进行了探索：

宇宙“大爆炸”理论描述了大约确实150多亿年前宇宙诞生的初期，巨大的能量使宇宙急剧地膨胀。后来随着宇宙的慢慢冷却，在引力的作用下宇宙的膨胀速度渐渐减小。然而令人吃惊的是，英国和澳大利亚的天文学家们独立地发现了宇宙膨胀加速的新证据。他们的研究结果刚刚刊登在英国皇家天文学会最新的月度期刊上。

这两个天文学家小组的发现震动了科学界，因为人们一直认为宇宙中的物质所产生的引力会使宇宙的膨胀减速，而不应该是加速。这两个小组根据观测到的遥远星系中的超新星(巨型的爆炸的星体)的亮度推断，宇宙里面充满了一种神秘的暗能量，正是这种暗能量的存在使得宇宙不断地加速膨胀。

“暗能量”的概念最早是由爱因斯坦(Einstein)提出来的，但是后来爱因斯坦把提出这个概念说成是他科学生涯里的大错误，因为它破坏了他的广义相对论的简单和优美。从那以后，“暗能量”成为科学家们争议的话题。著名的英国剑桥大学天文学家亚瑟・斯特雷・艾丁顿(Arthur Stanley Eddington)相信暗能量的存在，他认为暗能量把可观测宇宙的巨大与次原子粒子的微小区分开。但是大多数理论物理学家认为，暗能量看起来实在太神秘，没有必要，所以他们不愿接受超新星小组的结果。

英国剑桥大学天文学教授乔治・艾夫斯塔休(George Efstathiou)领导的由27位天文学家组成的研究小组公布了他们发现的关于暗能量存在的强有力的证据。他们对由位于澳大利亚新南威尔斯州赛丁市的名叫“英澳”的天文望远镜拍摄的巨大宇宙空间的250,000个星系的照片图案进行分析。通过比较大爆炸后150亿年后的现在宇宙的结构，和从微波背景辐射中观测到的大爆炸后30万年时宇宙的结构，“英澳”小组就能用简单的几何学原理来弄清宇宙的组成。

他们的结果表明，宇宙充满了暗能量，与以前超新星小组的结果完全一致。艾夫斯塔休教授说：“看来爱因斯坦一点也没有犯错--暗能量看来是存在的，而且它们的作用超过了常规物质。对暗能量的解释可能涉及到超弦理论、多维空间，甚至涉及到‘大爆炸’之前的事情。现在还没有人清楚，但理论物理学家正在研究之中。”

超弦理论的最新成果

第四十四章：超弦理论，弦理论还只是停留在纸上的理论

量子力学除了标准模型，还发展出一些理论，试图把引力囊括进入一个大体系。我们这一章要介绍的弦理论，超弦理论就是这样的理论。

弦理论，又称弦论，是发展中理论物理学的一支，结合量子力学和广义相对论为万有理论。弦理论用一段段“能量弦线”作最基本单位以说明宇宙里所有微观粒子如电子、质子及夸克都由这一维的“能量线”所组成。

较早时期所建立的粒子学说则是认为所有物质是由零维的点粒子所组成，也是目前广为接受的物理模型，也很成功的解释和预测相当多的物理现象和问题，但是此理论所根据的粒子模型却遇到一些无法解释的问题。比较起来，弦理论的基础是波动模型，因此能够避开前一种理论所遇到的问题。

更深的弦理论学说不只是描述弦状物体，还包含了点状、薄膜状物体，更高维度的空间，甚至平行宇宙。弦理论目前尚未能做出可以实验验证的准确预测。

首先我的观点是不太看好弦理论，尤其是关于高维度空间。但弦理论以波动模型发展，还是有值得标准模型借鉴的理论。

所以对于新思维，新事物，新理论，我们还是要多了解一下。万象变幻，和而不同。而且要懂这理论的人，也都很牛叉。起码高等数学，高等物理学的比我们一般人溜的很。

那么来了解一下弦理论的发展历史吧。有了前面40多章的内容，大家基本还是读懂的。

弦理论的雏形是在1968年由维内奇诺(英语：Gabriele Veneziano)发明。有说法称，他原本是要找能描述原子核内的强作用力的数学函数，然后在一本老旧的数学书里找到了有200年历史的欧拉贝塔函数，这函数能够描述他所要求解的强作用力。

但根据维内奇诺本人的说法，这个函数是他多年努力的结果，而那些“偶然发现”以及“从数学书中发现”的传言令他本人很不高兴。不久后李奥纳特·萨斯坎德发现，这函数可理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的“线段”，这在日后则发展成“弦理论”。

目前弦论学家普遍认为强子散射振幅公式是弦论的开端，此一公式即来自于Γ函数与B函数，描述两个强子一开始是两条弦，然后融合成一条，再分裂出两条。在这些弦扫过的区域称为世界面，可以用量子力学算这整个过程的概率振幅。

另外，同在CERN工作的铃木真彦(Mahiko Suzuki)几乎同时而又独立地查阅相关资料，并且也发现了贝塔函数，当他将该消息告诉CERN的一位资深物理学家后，得到的回应却是：“另一个年轻物理学家(即维内奇诺)已经在几个星期前发现了相同的函数。”并劝铃木不要发表他的结果。

弦论除了可以解释强作用力，也能消除点粒子的无穷大问题。由于粒子的相互作用可以用费曼图描述，然而粒子的相互作用点却等同于奇点，换句话说，它会引起无穷大的问题。

虽然量子场论中的重整化理论可以解决无穷大，然而在量子的微观尺度，却是充满随机的量子涨落，结构层次的改变将使得重整化无法适用。这是因为广义相对论中传递重力的介质可以视为整体时空，当时空背景为量子尺度时，结构将会不稳定，且若将量子力学的计算方式强行套用在广义相对论则会产生限制。因此，若用弦来描述粒子相互作用的费曼图，基本上不会产生奇点，这是由于弦的运动轨迹是世界面。故弦论为量子引力的候选者，有望完成物理界所追求的万有理论。

虽然弦理论最开始是要解出强作用力的作用模式，但是后来的研究则发现了所有的粒子(含反粒子)，如正反夸克，正反电子(电子、正电子)，正反中微子等等，以及四种基本作用力粒子(胶子、中间玻色子、光子、引力子)，都能用类似方法表示成一小段的不停振动的能量弦线，而各种粒子彼此之间的差异只是这弦线的长度、振动参数和形状的不同而已。

最早期的弦论叫做玻色弦理论，南部阳一郎给予最早的作用量，但是该作用量在场论的框架内难以量子化。此后亚历山大·泊里雅科夫给予一个等效的作用量，其几何含义是把时空坐标视为一个世界面的标量场，并且在世界面上满足广义相对论的一般坐标变换规则。除此之外，如果要求这个作用量同时满足在外尔变化下不变，那么自然的会要求这个世界面是一个二维的曲面。

玻色弦理论是最简单的一个弦论的模型，它最重要的物理图像是认为物理粒子不是单纯的点粒子，而是由于弦的振动产生的激发态。显然它有很大的缺点，其一是它只简单描述标量玻色子，没有将费米子引入框架内;其二没有包含一般量子场论中的规范对称性;其三是当研究它的质量谱时候发现，它的真空态是一组质量平方小于零的不稳定快子。所有这些问题在推广到超弦理论后得到很好的解释。 后面会给大家介绍超弦理论。

1995年，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基发现弦理论一个相当晦涩的特点。他发现开放的弦的端点(开弦)在陷在某些特别的时空区域时无法完全自由地移动。波尔钦斯基随后猜测这些特殊的空间正式被P膜所占据。这些“黏性”的膜就叫做狄利克雷-P-膜，或者D-P-膜。他的计算表明D-P-膜正是对弦端点施加的力的来源，目的是将其限制于其所存在的P维空间内。

但不是所有的弦都属于P-膜。闭弦类似于引力子，可以随意在膜间移动。在四种力(强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用和引力相互作用)的粒子中，引力子因此很特别。研究人员推测这或许就是为什么对其他三种力的研究都没有办法找到高维空间的存在。这三种力的媒介粒子就是将它们自己限制在P膜里的开弦。现阶段所需要做的就是对引力子进行更详实的研究来证明其他维度的空间的存在。

另外，“弦理论”这一用词所指的原本包含26维的玻色弦理论，和加入超对称性的超弦理论。在近日的物理界，“弦理论”一般是专指“超弦理论”，为了方便区分，较早的“玻色弦理论”则以全名称呼。

1990年代，受对偶性 (弦论)的启发，爱德华·维腾猜想存在一11维的M理论，他和其他学者找到强力的证据，显示五种不同版本的十维超弦理论与十一维超重力论其实应该是M理论的六个不同极限。这些发现带动了第二次超弦革命。

11维度的弦理论我曾在《变化》中，批评过这样高维度的空间设想，我认为这是数学游戏。不是现实意义的空间。题目是《高维度空间值得怀疑》。

弦理论会吸引这么多注意，大部分的原因是因为它很有可能会成为大统一理论。弦理论也可能是量子引力的解决方案之一，含有量很大。除了引力之外，它很自然的成功描述各式作用力，包含电磁力和自然界存在的其他各种作用力。超弦理论还包含组成物质的基本粒子之一的费米子。至于弦理论能不能成功的解释基于目前物理界已知的所有作用力和物质所组成的宇宙，这还是未知数。至今研究员仍未能找到一个弦论模型，其低能极限为标准模型。

额外维是相对于“四维时空”而提出的一个概念，一般泛指的是理论在四维时空基础上扩展出来的其它维度。

爱因斯坦提出宇宙是空间加时间组成的“四维时空”。1926年，德国数学物理学家西奥多·卡鲁扎在四维时空上再添加一个空间维，也就是添加一个第五维，把爱因斯坦的相对论方程加以改写，改写后的方程可以把当时已知的两种基本力即“电磁力”和“引力”很自然地统一在同一个方程中。至此，理论中存在额外添加的维度统称为“额外维”。超弦理论中是一维时间十维空间或九维空间。

由于超弦理论的时空维数为10维，所以很自然的可以认为有6个额外的维度需要被紧化。当对闭弦紧化时，可以发现所谓的T对偶;而对开弦紧化则可以发现开弦的端点是停留在这些超曲面上的，并且满足狄利克雷边界条件。所以这些超曲面一般被称为“D膜”。研究员称D膜的动力学为“矩阵理论”(M理论)，是为“M”字来源之一。

在未获实验证实之前，弦理论是属于理论物理或哲学的范畴，不能完全算是物理学。无法获得实验证明的原因之一是目前尚没有人对弦理论有足够的了解而做出正确的预测，另一个则是目前的高速粒子加速器还不够强大。

科学家们使用目前的和正在筹备中的新一代的高速粒子加速器试图寻找超弦理论里主要的超对称性学说所预测的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了，这仍不能算是可以证实弦理论的强力证据，因为那也只是找到一个本来就存在于这个宇宙的粒子而已，不过这至少表示研究方向还不是错误的。

所以现阶段大家也知道了，弦理论停留在理论阶段。等待检验的路程还很长。我只是希望科学家多相信自己的感官。像高维度，超对称等等概念，很值得怀疑的原因就是，你要证明的东西一定在你要证明的东西之外，但如果我们连我们要证明的东西都无法理解【比如说11维度空间】，那我们还如何谈证明它呢! 这是个哲学前提，这就是我反对的原因。

可以发展这个理论，但要发展在我们可以想象的范围之内。否则就是纯想象了。

虽然历史上，弦理论是物理学的分支之一，但仍有一些人主张，弦理论目前不可实验的情况，意味着它应该(严格地说)被更多地归为一个数学框架而非科学。一个有效的理论，必须通过实验与观察，并被经验地证明。

不少物理学家们主张要通过一些实验途径去证实弦理论。一些科学家希望借助欧洲核子研究组织(CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires)的大型强子对撞机，以获得相应的实验数据——尽管许多人相信，任何关于量子引力的理论都需要更高数量级的能量来直接探查。此外，弦理论虽然被部分物理学家认同，但它拥有非常多的等可能性的解决方案。因此，一些科学家主张弦理论或许不是可证伪的，并且没有预言的力量。

但我认为并不是可证伪的，不是我们应该高兴的。因为它没有预言能量。一个没有预言的理论，就就不算是规律。

由于任何弦理论所作出的那些与其他理论都不同的预测都未经实验证实的，该理论的正确与否尚待验证。为了看清微粒中弦的本性所需要的能量级，要比目前实验可达到的高出许多。弦理论具有很多在数学上很有意思的特征，并自然地包含了标准模型的大多数特性，比如非阿贝尔群与手征性费米子(chiral fermions)。因为弦理论在可预知的未来可能难以被实验证明，一些科学家问，弦理论甚至是否应该被叫做一个科学理论。

但我们要承认，弦理论的思想为物理学带来了一个建议上超越标准模型的巨大影响。例如，虽然超对称性是组成弦理论的重要一部分，但是那些与弦理论没有明显联系的超对称模型，科学家们也有研究。

因此，如果超对称性在大型强子对撞机中被侦测到，它不会被看做弦理论的一个直接证明。然而，如果超对称性未被侦测出，由于弦理论中存在只有以更加更加高的能量才能看出超对称性的真空，所以它的缺乏不会证明弦理论是错误的。相反，如果日食期间观测到太阳的引力未使光按预测的角度偏转，那么爱因斯坦的广义相对论将被证明是错误的。实验证明了广义相对论的正确性。

在更数学的层次上，另一个问题是，如同很多量子场论，弦理论的很大一部分仍然是微扰地用公式表达的(即为对连续的逼近，而非一个精确的解)。虽然非微扰技术有相当大的进步——包括猜测时空中满足某些渐进性的完整定义——一个非微扰的、充分的理论定义仍然是缺乏的。

物理学中，弦理论有关应用的一个中心问题是，弦理论最好的理解背景保存着大部分从“时不变的时空”得出的的超对称性潜在理论：目前，弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。

前面提到的两点涉及一个更深奥的问题：在弦理论目前的构想中，由于弦理论对背景的依赖——它描述的是关于固定时空背景的微扰膨胀，它可能不是真正基础的。一些人把背景独立看做对于一个量子引力理论的基础要求;自从广义相对论已经是背景独立的以来，尤其如此。

弦理论是伪科学

弦理论是什么，它是伪科学吗?10年来，围绕这一问题，物理学家和宇宙学家一直在辩论。现在，人们将目光转向哲学以寻求帮助。

2015年12月7日至9日，在由慕尼黑数学哲学中心和阿诺德·索末菲理论物理中心组织的一次旨在指责理论物理学远远背离实验科学的特殊会议上，一些长期对哲学不满的物理学家与哲学家碰面了。组织者称，会议的中心议题是科学方法的整体性以及科学在公众中的声誉。

会议是在德国慕尼黑路德维希马克西米利安慕尼黑大学召开的。此次研讨会召开的直接起因是 2014年《自然》上刊登的一篇文章。在这篇文章中，南非开普敦大学的宇宙学家乔治· 埃利斯和约翰· 霍普金斯大学的天文学家约瑟夫· 西尔克哀叹理论物理中出现了一个“令人担忧的转向”。

“在将基础理论应用到已观测宇宙时遇到的困难面前，”他们写道，“一些科学家认为，如果一个理论很美妙而且经得住解释，就不需要通过实验进行验证。”

文章讨论的第一个问题是可实验性。正如科学哲学家卡尔·波普尔20世纪30年代提出的那样，对一个即将被认定为正确的科学理论，科学家必须通过实验对该理论进行证伪。埃利斯和西尔克在文章中指出，在某些领域，一些理论物理学家已经偏离了这个指导性原则，甚至公然辩称理论物理不应该受制于该原则。

两人将弦理论作为例子进行讨论。该理论用无穷小的细弦替换基本粒子，来调和那些描述引力和量子世界的理论之间的矛盾。弦太过微小，无法使用现代技术对其进行探测。然而，一些人争辩说，无论实验能否对其结果进行测量，弦理论都是一个值得追求的理论。原因很简单：它似乎是解开诸多疑惑的“良药”。

此外，西尔克和埃利斯还引用了另一个似乎已抛弃“波普尔主义”的理论：多重宇宙理论。多重宇宙理论认为，大爆炸产生了多个宇宙，其中大多数与我们的宇宙完全不同。

但在研讨会开幕式的讲话中，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论物理学家大卫· 格罗斯对这两种理论进行了区分。他认为，弦在原则上是可被测试的，因此弦理论当然是完美的科学理论。而多重宇宙的概念就棘手多了，因为从我们的宇宙根本观察不到它假设的宇宙，甚至在理论上也不可能观察到。“仅凭当前无法对其进行检测就认定(弦理论)不是科学实在荒谬至极。”格罗斯说。他因在强核力方面的研究获得了2004年的诺贝尔物理学奖，而且对弦理论做出了突出贡献。

参会者卡罗尔·罗维里是法国艾克斯- 马赛大学的一位理论物理学家。他认为，目前虽然尚无法对弦理论进行检验，但并不代表它不值得理论物理学家为之付出努力和时间。埃利斯和西尔克的矛头直指路德维希马克西米利安慕尼黑大学的理查德·戴维所写的《弦理论与科学方法》(剑桥大学出版社，2013年)中的观点。戴维在书中写到，弦理论家已经开始遵循贝叶斯统计原则，即在先验信息的基础上预测某一假设正确的可能性，然后随着必要信息的不断增多对预测进行修正。然而，戴维发现，物理学家已经开始倾向于使用纯理论因子，比如通过理论的内部一致性或在没有可替代方案的情况下对预测进行修正，而严肃的做法应该是基于实际数据对预测进行修正。

在这次会议上，格罗斯与罗维里产生了激烈的争吵。前者认为，正是因为缺乏替代方案才使弦理论正确的可能性更大;后者多年来致力圈量子引力的研究，断然否认没有可行的替代方案的说法。与此同时，埃利斯拒绝承认理论因子可以提高理论的可靠性。他说：“我对贝叶斯主义的回答是：新的证据必须是实验证据。”

其他人围绕贝叶斯统计学对弦理论的作用展开了独立讨论。斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的物理学家萨宾·赫森费尔德尔认为，弦理论的普及可能加深了一种印象，即认为它是物理学的唯一选择。但是弦理论的普及也可能得益于社会学因素，她举了一个例子：很多年轻学者已经将自己的研究方向转到弦理论，因为从工作前景来看，在这一领域搞研究显然要比在那些鲜为人知的领域搞研究有前途得多。

约瑟夫·西尔克

科学史学家、丹麦奥胡斯大学的赫尔奇·克劳从历史角度表达了自己的观点。他说：“以前也曾提出过多个‘新科学方法’的建议，但是用其他标准来替代经验检验法的尝试总是以失败告终。”他还补充说：“至少这个问题在某些物理学领域就是如此，弦理论和多重宇宙理论只不过是多数物理学家研究的一个小领域而已。”

这种安慰对罗维里来说远远不够，他坚持认为应该明确划分已被实验证实的理论和尚在检验中的理论。他说：“当你走在街上，忽然有人拦住你说，‘你不知道世界是由弦构成的，而且存在平行宇宙吗?’这种感觉非常糟糕。”

会议结束时，物理学家的观点似乎并没有达成一致。与西尔克、埃利斯共同组织会议的戴维说，他并不希望人们能从根本上改变自己的立场，而是希望通过接触不同领域，能让彼此“稍微缓和一点”。埃利斯认为，更有效的形式，比如为期两周的暑期学校，或许更有利于达成共识