摘要：科学家们一直在探寻宇宙的秘密，希望能够构建一个模型，将自然界中所有的作用力和粒子完美地拼接在一起。用乐高积木搭建这样的模型听起来很酷，但更好的办法或许是用“弦”把它们拼接起来。

图源：O. KNILL AND E. SLAVKOVSKY/Knowable

导读：

在聚光灯之外，理论物理学家们仍在寻找能够解释宇宙中粒子与力的数学模型。

Tom Siegfried | 撰文

赵金瑜 | 翻译

科学家们一直在探寻宇宙的秘密，希望能够构建一个模型，将自然界中所有的作用力和粒子完美地拼接在一起。用乐高积木搭建这样的模型听起来很酷，但更好的办法或许是用“弦”把它们拼接起来。

当然，这里的“弦”并不是真正的细绳，而是微小的振动能量环或者片段。所谓的“拼接”过程也不是利用形状合适的塑料块，而是通过数学手段来实现。几十年来，许多物理学家一直在追寻这样的愿景：关于极其微小“弦”的方程，或许能解开自然界最深层的亚原子粒子之谜[译注1]。

弦论已经在大众文化中获得了一定的赞誉，出现在诸如《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）和《海军罪案调查处》（NCIS）等流行电视节目中。物理学家们则对这个理论的看法褒贬不一。在上世纪80年代和90年代，弦论曾经历过几次充满希望的重大发现，但随后逐渐失宠，因为它并未实现部分理论预期：例如，弦论未能提供合适的方法将引力纳入到亚原子粒子的量子理论中；又如，弦论未能揭示出证明自然界中多种基本相互作用力实际上源于同一统一作用力的数学原理。时至今日，这些理论预期仍未实现。

然而，在弦论逐渐淡出聚光灯的这些年里，一批弦论忠实追随者一直在努力将零散的线索编织在一起。成功依然遥不可及，但确实取得了实质性的进展。那些困扰物理学家的问题——不仅关于最微小的物质，还涉及整个宇宙的特性——可能最终会在弦论研究者的努力下迎刃而解。

最近，物理学家马尔切萨诺（Fernando Marchesano）、萧文礼（Gary Shiu）和维根德（Timo Weigand）在《2024年核物理与粒子科学年度评论》中写道：“粒子物理学和宇宙学中的许多未解之谜都是深度交织在一起的。”弦论或许能为解决这些问题提供路径。

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描述现实的方程

在这一探索过程中，一个主要方向是弄清楚弦论是否能解释粒子物理学中的标准模型。标准模型是在20世纪后期发展起来的，它列出了自然界中所有的基本粒子。其中一些粒子提供了物质的构成要素，另一些粒子则在物质粒子之间传递力，控制着它们的行为方式。

图：基本粒子的标准模型。
粒子物理标准模型描述了自然界已知的力和亚原子粒子，这些亚原子粒子包括夸克、轻子和玻色子。质子和中子由上夸克和下夸克组成。轻子包括电子和中微子。光子传递电磁力；胶子将原子核中的粒子结合在一起；而W和Z粒子则传递弱核力，这种力在某些形式的放射性中起着重要作用。希格斯玻色子则参与赋予某些粒子质量的过程。

绘制一张展示这些粒子的图表其实很简单。你需要12个方框来表示物质粒子——6种夸克和6种轻子，以及4个方框来表示“力粒子”（统称为规范玻色子）。还需要一个方框来放置希格斯玻色子，这个粒子用来解释为什么某些粒子具有质量。然而，这张图表背后的数学却复杂得难以想象，是一系列方程的组合，与之相比，象形文字都显得易于理解。

这些方程非常成功地解释了几乎所有粒子物理行为的结果。然而，标准模型不可能是宇宙的终极理论。马尔切萨诺和他的合作者认为：“尽管标准模型在描述目前可及的能量尺度上的粒子物理学方面取得了令人难以置信的成功，但有充分的理由证明它是不完整的。”

首先，它的方程中不包括引力，在标准模型图表中也没有引力子的位置。描述标准模型的数学中还存在许多未解之谜，比如为什么有些粒子具有如此精确的质量值。标准模型的数学也不包括潜伏在星系内部和星系之间的神秘暗物质，也无法解释为什么空旷的真空中充满了一种能让宇宙加速膨胀的能量形式。

一些物理学家认为弦论能够提供帮助，因为弦论版本的标准模型将包含额外的数学内容，可能弥补这些不足。换句话说，如果弦论是正确的，那么标准模型将只是弦论对现实完整数学描述中的一部分。问题在于，弦论描述了许多不同版本的现实。这是因为弦存在于一个具有多个维度空间的领域中，超出了普通的三维空间。有点像是《迷离境界》（Twilight Zone）的超级加强版。[译注2]

弦论学者承认，日常生活在三维世界中进行得很好。因此，弦论世界中的额外维度一定小到无法察觉：它们必须收缩或“紧致化”到亚微观尺度。这就像一只生活在巨大纸面上的蚂蚁，它会感知到纸张的二维表面，却永远不会意识到纸张还有一个非常薄的第三维度。

弦论的额外维度不仅必须收缩，而且还可以收缩成无数种不同的真空空间构型或几何形状。其中一种可能的几何构型或许能恰到好处地解释标准模型的特性。

马尔切萨诺和他的合著者写道：“标准模型的特征、问题和谜题可以用额外维度的几何来重新表述。”

由于弦论数学可以用几种不同的形式表达，理论家们必须探索多种可能的途径，才能找到最有成效的表述。迄今为止，人们已经发现了一些弦论方法，能够描述标准模型的许多特征。但每种特征都需要不同的真空紧致化几何来解释。马尔切萨诺和合著者指出，目前面临的挑战在于找到一种特定的真空几何，既能同时结合标准模型的所有特征，又能包含描述已知宇宙的特征。

例如，一个成功的额外维度紧致化手段应该导致空间中的真空包含适量的“暗能量”，即宇宙加速膨胀的源泉。宇宙中暗物质的候选粒子也应该出现在弦论的数学中。实际上，一组新的力和物质粒子就从涉及数学性质的弦论方程中浮现出来，这一性质被称为超对称。马尔切萨诺和合著者写道：“几乎所有与标准模型相似的弦论模型都在紧致化尺度上展现出了超对称性。”

包含超对称粒子的弦论版本被称为“超弦理论”。这些“超粒子”长期以来被认为构成了宇宙的暗物质。但迄今为止，在太空中探测它们或在粒子加速器中创造它们的尝试都没有成功。

至于引力，传递引力的粒子很自然出现在弦论数学中——这也是弦论的主要吸引力之一。但是许多弦论的表述包含了引力这一事实，却不能告诉我们哪一种表述为现实世界提供了正确的描述。

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弦论的实验检测是可能的

如果弦论是正确的，自然界的基本粒子就不再是标准模型中的零维点状物体。相反，不同的粒子将由一维弦的不同振动模式产生，一维弦可以是环状的，也可以是末端附着在多维空间物体（称为膜，brane）上的片段。这样的弦大约比原子小到什么程度呢？就像原子比太阳系小的程度一样。弦非常小，没有任何可行的方法直接探测它们。探测如此微小尺度所需的能量远远超出任何现实技术的范围。

但是，如果弦论能解释标准模型，它也会包含其他可以通过实验获得的现实特征，比如标准模型图表中未包含的粒子类型。马尔切萨诺和合著者写道：“实现标准模型的弦构造总是包含额外的部分...... 这些部分所对应的能量尺度可能在不久的将来得到实验验证。”

归根结底，弦论仍然是一个充满希望的候选理论，可能将宇宙拼图的所有碎片拼接起来。如果它成功了，科学家们最终可能揭开量子物理学与引力的关系，以及自然界的粒子和力的特性是如何深深联系在一起的谜团。“弦论具备了帮助我们理解这种深刻联系的所有要素。”马尔切萨诺他们写道。

译注1：亚原子粒子泛指比原子核尺度还小的这些粒子。

译注2：在美国电视剧《迷离境界》中，角色通常陷入离奇、无法解释的境地，现实和幻象的界限模糊，观众往往无法确定什么是真实的，什么是虚幻的。弦论试图描述一个远超我们日常经验的宇宙观，这种情形就像《迷离境界》构建出来的奇异场景。

翻译对照表

fuzzy cultural 大众文化的

TheBigBang Theory 《生活大爆炸》

NCIS 《海军罪案调查处》

Fernando Marchesano 马尔切萨诺

Gary Shiu 萧文礼

Timo Weigand 维根德

Annual Review of Nuclear and Particle Science 《核物理与粒子科学年度评论》

Twilight Zone 《迷离境界》

compactify 紧致化

brane 膜

本文于2024年11月21日发表于Knowable Magazine，标题为“String theory is not dead”，《赛先生》获授权翻译并转载。

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来源：赛先生一点号