弦圈之争

弦圈之争

    ──基本粒子研究进入“战国时代”

              沈致远

（摘自《科学》2007年第3期、2007年5月13日《文汇报》）

弦代表超弦理论（简称弦论），圈代表圈量子引力论（简称圈论）。两者均為“万物之理”（Theory ofeverything）之候选者。

万物之本是什么？自古引人遐思。19世纪才有实验根据，20世纪步步深入：分子、原子、原子核、核子、电子、夸克……1970年代物理学家从已知的基本粒子及其相互作用总结出标準模型。这是一个非常成功的理论，为许多实验所证实，有的竟达到百亿分之一精确度！但有两个缺点：一，其中包含人为设定的几十个参数，不知其所以然；二，虽然在四种作用力中已将电磁力、弱力、强力统一起来，引力却顽固地拒绝统一。

物理学家深信天道归一：四种力是统一的，在夸克和电子等基本粒子后面肯定有更基本的东西。于是兵分两路向万物之本进军。

一路是弦论的大兵团，人强马壮声势浩大。经过两次“超弦革命”，聚集了号称“全世界最聪明”的物理学家和数学家数千人，发表论文以万计！弦论认为：万物之本是极其微小（普朗克长度10-35米）的弦（String），在9维空间中飞快地振动。现实空间只有3维，多出的6维空间捲曲隐藏起来了。弦不同的振动式样相当于不同的粒子。一言以蔽之：万物皆弦。

另一路是游兵散勇，除圈（Loop）论外，还有旋子（Spinor）、扭子（Twistor）及非互易几何（Non-commutativegeometry）诸论。圈论比较像样，从事者也仅数百人。圈论由宾州州立大学阿尔什特卡（Abhay Arshtekar）于1980年代提出。圈论认为粒子是空间的拓扑形体。一言以蔽之：万物皆形。

早期在研究核子强相互作用时发现，将粒子当作弦可以解释一些物理现象，但存在超光速粒子等问题，未引起主流物理学家注意。1984年，许瓦兹（JohnSchwarz）等人解决了存在问题，并发现弦论中自动出现引力子。物理学家看到苗头蜂拥而至，此为“第一次革命”。弦论从冷门一变而为显学，不久又出现新问题：弦论有五种不同版本，不知何所从。1995年，威滕（EdwardWitten）在洛杉机集会上提出“M--理论”：9维空间中弦论五种版本在10维空间中是等价的，除弦以外还有膜（Brane）等。人心大振，声势空前高涨，此为“第二次革命”。

第二次革命后又十几年过去了，弦论基本方程仍付闕如，其可能方案竟然有10500之多，相应于10500个宇宙！批评者讥讽说：弦论从万物之理变为“任意之理”（Theoryof anything），弦论者总可以变出一个理论使之与实验符合。无法证为，就不是科学！

二十多年来，弦论和圈论等各自发展。最近风云突变，圈论者推出两本书。一本是《物理学之困境》，作者施莫林（LeeSmolin）是哈佛大学物理学博士，从事弦论研究多年，后改弦易辙做圈论，反戈一击：弦论没有实验证明，连实验方案都提不出来，这一击正中要害。另一本是《甚至称不上错》，作者吴易特（PeterWoit）是普林斯顿大学物理学博士，现任哥伦比亚大学数学系讲师。书名就竭尽讥讽之能事：弦论根本不是理论，连错都不够格！

批评弦论不自今日始，不乏大师级人物。诺贝尔物理学奖获得者费因曼（Richard Feynman）说过重话：“弦论者提不出实验，只会找藉口。”2004年诺贝尔物理学奖获得者、威滕的导师格罗斯（DavidGross）曾是弦论的热烈支援者，最近在一次集会上说：“我们不知道自己在说什么！”

两本书的出版，引起公众注意。弦论不甘示弱，著名弦论学者哥伦比亚大学教授格林（Brain Greene）在2006年10月20日《纽约时报》以长文进行反驳，题为《弦上的宇宙：不要放弃最有希望的物理学理论》。其主要论点：弦论继承爱因斯坦未竟之遗志，积累了丰富的经验，建立起美丽而严密的数学体系，是统一四种力的最有希望的理论。格林承认缺乏实验证据是严重问题，他寄希望於将在2008年开始运行的欧洲巨型强子对碰机（LHC）或许能作出支援弦论的实验结果。对“弦论二十多年未出成果”的批评，他嗤之以鼻。平心而论未可厚非，科学史上难题有数百年未解的，何况目标是“万物之理”，如轻易到手，反倒是非常奇怪弦论的大问题是实验验证，弦的尺度是10-35米，以实验直接验证，所需粒子加速器比银河系还大！弦论提出的一些间接实验方案至今无一成功。

最近我对两位作者进行专访。我问施莫林：圈论和弦论有无共同之处？他说：“圈论可以帮助弦论成为不依赖於背景的理论。”我说：弦论发展出许多数学工具，圈论可以借鉴。他表示同意。我又问：圈论的3维空间和弦论的多维空间是否相容？他说：“圈论并不排斥多维空间。”我再问：圈论有没有提出可行的实验？他说：“预言光子速度随其能量增大而变慢，可由天文观测检验。”

我问吴易特：你对格林的反批评有何评论？他说：“格林会错了意，施莫林和我都没有要求放弃弦论，只是主张给圈论等以一席之地。”弦论者常用一句话堵批评者之口：“这是镇上惟一的游戏。”公然无视其他理论的存在，这种霸道对科学发展有害。我说：你在书中批评弦论有10500不同版本，说明弦论缺乏选择规则，有朝一日发现选择规则，不同版本定於一尊，可能吗？他说：“从历史看，弦论发展趋势是版本不断增加，这种可能性不大。”我说：科学史上的重大突破有些出乎意料之外：19世纪末，没人预料到量子力学的出现；20世纪初，如爱因斯坦未提出狭义相对论，别人也会提出，但广义相对论没有人料到。吴易特说：“是的！你说的可能性不能排除。”我说：如“万物之理”确实存在，其生母可能是弦论、圈论，或者现在还不知道的什么论，很可能是诸论之杂交。

我问两人对今后发展的看法，他们说：大家都在等待，企盼LHC开始运行后能给出新的实验结果，为基本粒子研究指明方向。吴易特加了一句：“如LHC未发现新结果，就不知道该怎么办了。”

学派之间通过争论互相砥礪，有益於科学的发展。但这次争论有所不同，除学术歧见外，还有社会因素。弦论是显学，佔据一流大学物理系要津，几乎囊刮了这方面的研究经费。圈论等缺乏研究经费，年轻的粒子物理学家如不做弦论，求职非常困难，资深的也难成为终身教授。

弦圈之争公开化标志着基本粒子研究进入战国时代，群雄并起百家争鸣当可预期，这是大好事，科学从来就是在不断挑战和竞争中发展的。自从标准模型提出以后，二十多年来基本粒子研究进展甚微。LHC的建成和非弦论诸学派之崛起可能是一个转机，我们殷切期待20世纪物理学蓬勃发展的局面能在21世纪再现。