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一些事物的理论  

2009-04-09 23:52:53|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(《新发现》专栏,勿转)

25年前,有人证明原则上可以将粒子理论嵌入超弦理论,超弦理论成为统一量子引力和包括电磁理论在内的其他相互作用的理论,在过去25年间一直是主 流理论。25年前,许多人将弦论称为一切事物的理论(TOE=theory of everything)。但是,人们很快发现,将粒子物理理论嵌入弦论的方式有很多种,如果我们不能决定是哪一种,超弦理论就不能说对自然界有预言。25 年间,人们一直在寻找弦论中的可以决定自然界选择哪种嵌入的“第一原理”,在这个过程中发现了一些弦论的重要性质,但仍然没有能够找到那个第一原理。

到了03年,一些人证明了弦论其实没有办法通过动力学来选择一个嵌入,相反,他们发现了所谓弦景观(String landscape),在这个巨大的景观中,存在很多很多可能的世界,而我们的世界只能是其中的一种可能。这还不是最坏的结果,更坏的结果是,弦景观中可 能存在很多非常接近我们世界的其他世界,通过实验,我们很难区分这些世界。可以说,弦景观的发现,使得弦论界分裂成两个大阵营,其中一个阵营中的人认为我 们不能从理论上决定哪一个对应于我们的世界,而需要依赖人择原理,例如暗能量为什么这么小,完全是偶然的。另一个阵营中的人认为要么弦景观不可信,要么就 是存在我们还没有发现的原理帮助我们选择我们的世界在弦景观中所处的位置。

前些天哈佛大学的教授Strominger在理论物理所做了公众报告,他表示的观点不属于以上任何一个阵营。他认为,弦景观是存在的,我们无法做任 何预言,但人择原理也是不可靠的。他说,弦论不再是一切事物的理论,但也不像有些反对弦论的人认为的那样,弦论不是任何事物的理论(theory of nothing),他觉得,弦论是一些事物的理论。

在解释Strominger为什么认为弦论是一些事物的理论之前,我们看一下Strominger给弦论的每个方面所打的分。他给出一个弦论成绩报 告单,打分的标准是美国的标准,最高分是A,最低分是F。A分相当于优秀,F相当于彻底失败,中间的分是B、C、D,B是良好,C是及格,D是不及格。

问题: 成绩:
弦论被实验排除了吗 A
有确定的预言 F
LHC上可能的信号 D
解决黑洞谜题 B
数学应用 A
其他物理领域的应用 B
统一理论 A
理论的唯一性 D
解决暗能量问题 F
理解宇宙的起源 D
解决可重正化问题 A

我们看到,弦论在四个问题上得到了高分A,这应该是没有异议的。有些人可能会质疑弦论是否在解决量子引力紫外灾难(即可重正化)上面得到A,因为还 不存在一个完整的证明。弦论在另外两个问题上得到了不错的分数B,即解决黑洞问题和在其他物理领域的应用。前者是Strominger做了很大贡献的领 域,而后者就和Strominger的观点即弦论是一些事物的理论有关了。既然弦论在数学应用和物理应用上得到很好的成绩,是应该采取这种观点的时候了。

那么,弦论到底在哪些其他物理领域有应用呢?我们可以将这些应用分为两类,一类是未解决的但已经存在的问题,一类是提出迄今还没有实验支持的新问 题。第一类问题包括:量子色动力学特别是夸克-胶子等离子体性质的研究,粒子物理中的一些量如散射的计算,凝聚态问题如高温超导、量子流体、带有杂质的临 界现象、量子霍尔效应、非线性流体等。弦论在夸克-胶子等离子体的应用上取得的成绩最大,例如可以计算加速器上产生的这种等离子体的一些粘性性质,夸克如 何穿过这种等离子体。在凝聚态物理问题这个大方向上的研究才刚刚起步,但势头看起来是好的。

那么,弦论是如何帮助解决这些问题的呢?这就回到黑洞问题。黑洞问题的研究使得人们发现所谓的全息原理,即黑洞这类很难研究的问题和我们熟悉的传统 的方法有关(量子场论),这就是所谓对偶:黑洞等价于(对偶)一张“全息照片”,这张全息照片就是量子场论。这样我们就有了两个等价的问题,一个是黑洞问 题,一个是量子场论问题。有时候,黑洞问题容易回答,我们可以将得到的答案用到另一个问题上。有时候,量子场论问题容易回答,这样我们倒过来将这里得到的 答案用到黑洞上。当然,很多时候,两个问题都很难。在这种情况下,我们只能等待其中任何一个问题的研究进展。

类似粒子物理,凝聚态物理中有很多问题可以归结为量子场论问题,这样就不难理解为什么我们可以用全息原理来研究这些凝聚态物理问题了,虽然表面上看 起来这两类问题完全不同。这里我们必须注意到,问题涉及到的黑洞既不是我们这个世界中的天文学上的黑洞,也不是可能在加速器上产生的小黑洞,这些黑洞只是 理论中存在的黑洞,其中万有引力常数完全不是我们这个世界的万有引力常数,甚至时空维度也不是四维的。

Strominger提出一句口号:在上个世纪,我们将所有问题变成简谐振子问题(类似弹簧问题),因为这个问题很简单。而在本世纪,我们应该将所有解决不了的问题变成黑洞问题。这句口号很有意思,有一定道理,但不能太当真。

Strominger的report card

reportcard.jpg

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