告诉你一个真实的弦理论

作者：李春生丨#一只大象x西风歪马#

引言：一个小寓言

大山里的一个家庭最值钱的财产是家里养的一只动物。这只动物是什么呢？家庭成员们却有不同看法。

公公说：这是一只神奇的鹿。 婆婆说：这是一匹矫健的马。 儿媳妇说：啥呀！就是一头蠢驴。 儿子无奈地说：其实，就是一头猪而已。

现状

我们生存在同一个宇宙，却有经典物理学、相对论、量子力学和弦理论4套互不相容的理论体系。没有一个理论能够达到自洽解释宇宙所有未解之谜的终极理论的标准，这意味着现有的理论都不完备！无一例外！

逻辑一致性（Logical Consistency）

两个相互矛盾的陈述不能同时为真，真相只有一个；语用一致性（Pragmatic Consistency）即结论不能与真实世界矛盾。每一个理论应是一个完整的逻辑体系，逻辑链条必须完整自洽，不能有逻辑矛盾和漏洞。问题是，那些理论可以达到这个标准？

如何走出这个困局呢？

回顾：矛盾的焦点

了解现代物理学发展史的同学都知道，300多年来，物理学争论的焦点是光（量子）是粒子（粒子说）还是波（波动说），空间是充满了物质还是空无一物的真空。事实上，这两个问题是一个问题，如果光是振动的波，那么，波必须要有振动的媒质；如果光是实实在在的粒子，空间必须是空无一物的真空。问题是，如果空间由以太或其他物质构成，星体在太空中运行时为什么没有明显的阻力呢？如果光是实实在在的粒子，为什么光存在波长和振动的频率呢？如果宇宙空间由任何物质构成，光将因为空间阻力而无法保持恒定的速度。这是一个看似无解的问题。粒子说和波动说为此争论了300多年，经历了3次波粒之争。

第一次波粒之争，笛卡尔、胡克和惠更斯的波动说失败，牛顿的粒子说获得胜利。

第二次波粒之争，托马斯·杨、马吕斯、菲涅耳和麦克斯韦的波动说大获全胜，经典电动力学由此建立。

第三次波粒之争由迈克尔逊——莫雷实验引起，该实验在大气层内并没有发现在不同的方向，光的传播方向和速度会受到影响，即地球的公转和自转运动并没有与空间发生相对运动。当时的人们认为实验证明了空间里不存在以太这种物质。麻烦来了，没有波的振动媒介，波是无法凭空波动的。

于是，爱因斯坦来了。

爱因斯坦认为，既然空间里空无一物的真空，那光可能是粒子。于是，粒子说全线反攻，建立在空无一物的真空基础上的量子论（后来发展成量子力学）和相对论横空出世。

但是，托马斯·杨的双缝干涉实验揭示出光（量子）是一种振动的波，这个事实根本无法回避。

波动说和粒子说都能解释一些问题。

粒子说可以自洽地解决所有的问题吗？不能！

波动说可以自洽地解决所有的问题吗？也不能！

怎么办呢？

客观世界需要合理解释，需要有人来打破这个不确定的僵局。

于是，玻尔来了。

玻尔认为，既然波动性与粒子性不会在同一次测量中出现，二者在描述量子时是互相排斥的；但是，二者不会同时出现也说明二者不会在实验中直接冲突。而二者在描述微观现象和解释实验时又是缺一不可的。因此，玻尔认为，波动说和粒子说只能是“互补的”，或者“并协的”。这就是互补原理，也称为并协原理。

这是一个折中方案，是一个各方都皆大欢喜的结果，大家都不要再争了。量子既是实实在在的粒子，也是振动的波。这就是波粒二象性。从此以后，粒子学家们可以巧妙地回避量子力学为什么不使用粒子说的矩阵力学方程这个问题，可以理直气壮的用老对手波动说的波动力学方程——普朗克常数和波函数来描述他们心中实实在在的粒子。光、电和亚原子粒子这些量子都具有波粒二象性。从此“天下太平”。

但是，问题是，问题解决了吗？

一个简单的问题是，量子如何同时穿过双缝干涉实验中的两条狭缝呢？

为了解决这个问题，物理学家们先后构建了哥本哈根诠释、路径求和解释、平行宇宙理论、多维度解释、超级大脑解释、多历史解释和GRW自发定域理论。但是，明眼人会发现，这些理论或解释都是基于粒子说的解释，都在努力解释一个粒子如何同时穿过两条狭缝。结果，粒子学家们在一个粒子是穿越左缝还是右缝这个问题上一筹莫展，更无法自洽地解释实验中屏幕上的干涉条纹了。

两条狭缝都让粒子学家们掉光了头发，那面对客观现实中无数条狭缝时怎么办？我们知道，一个偏光太阳镜上面都有10万条狭缝，一个光子可以同时穿过10万条狭缝同时到达我们的眼睛，这可是实实在在的在智慧生物的观测下的同时穿越。还有，这些理论和解释均无法自洽地解释实验中干涉条纹的形成原理。

还有，如果客观现实中不存在电磁波的振动媒介，那又何必承认量子存在波动性而提出波粒二象性呢？直接保留粒子性问题不是更少吗？

事实上，粒子学家们虽然声称量子具有波粒二象性，但是实际上只是把量子看成是实实在在的粒子。这又陷入到粒子说的陷阱，根本无法自洽地解释简单的双缝干涉实验，更不谈解释其他更复杂的客观现象了。

量子力学构建了一个异常复杂的粒子标准模型来描述微观世界，根据这些粒子模型，构成宇宙的基本物质是一点、一点的没有内部结构的点粒子。宇宙中所有的基本作用力都由不同的信使粒子——玻色子（也称为传播子）来传递，但是，这些传递基本作用力的玻色子在自然界中并不存在，它们只在粒子加速器的碰撞中转瞬即逝。麻烦的是，本应无处不在的引力子即使在实验中也没有发现。

量子是什么？是粒子？还是波？现有的答案都无法自洽。

我们知道，物理理论为自洽解释客观世界而存在，我们不能假装已经找到最终答案！

终于，有人起来“革命”了。

横空出世

有一个简单的道理，如果现有的理论是正确的，这个理论可以自洽地解释宇宙存在的所有问题，那么，物理学也就终结了，这就是所谓的终极理论。但是，如果不断有完全不同的理论出现，则意味着现有理论并没有解决所有的问题。正所谓，有需求，才会有供给。有问题，才会寻找解决的方法。

当今的“Black Lives Matter”是一种正治正确，物理界也有一个“科学正确”，即现有的物理理论不容质疑。谁敢说某某理论是错误的？谁敢说波粒二象性是错误的？面对这种情况，人们只能创建新的理论来解决现有理论无法解决的问题。

为什么量子具有振动的频率和波长呢？粒子如何产生振动的频率，如何描述波长这种现象？量子是实实在在的粒子还是振动的波？如果量子具有波粒二象性，那么，量子什么时候是粒子，什么时候是波？波和粒子如何转换？既然粒子说、波动说和波粒二象性都无法自洽地解释复杂的客观现象，那么量子是否是一种不需要振动的媒质却有“与生俱来”的振动频率和波长的物质呢？

既然现有的理论无法合理自洽地解释客观世界，那么，人类自然要寻找一种合理自洽解释和理论。于是，一种被称之为弦理论的新理论横空出世了。我们知道，这既是一种偶然，也是一种必然。

1968年，在瑞士日内瓦的欧洲加速器实验室工作的意大利理论物理学家维加布里尔·维尼齐亚诺偶然发现欧拉β函数可以描述一维的复杂曲线，他认为这个古老的方程可以描述核子中强相互作用力的性质。

我们知道，按照粒子标准模型，原子核内的强相互作用力是构成强子的夸克之间通过交换一些被称为胶子的玻色子——规范粒子场传递的作用力。很多人认为除了引力，其他三种基本作用力的秘密已经找到。问题是，强子间交换胶子产生的是排斥力而不是相互吸引力。如果物质的引力、强作用力、弱作用力和电磁力都是交换不同的玻色子来传递，那么，宇宙空间和原子核中将充满这些所谓的传播子（谁来指挥“交通”呢？），但是，为什么这些传播子在自然界却并不存在呢？为什么它们只在实验中转瞬即逝呢？具有独立思考能力的学者是不可能接受这些根本无法自洽的解释。如果现有的思路存在问题，那么，正确的解决方法是什么呢？

维尼齐亚诺的发现立即引起了对处于困境状态的理论物理学家们的注意，人们仿佛看到了希望之光，真可谓是久旱逢雨露。首先响应的物理学家是美国物理学家苏士侃，他发现欧拉的方程可以描述一种波动，类似于琴弦的震动，可以描述粒子（量子）的一些振动。量子不是量子力学所认为的点粒子，而是一种琴弦一样的振动。

苏士侃的“发现”可谓是石破惊天，吸引了更多的学者加入到这项研究中来。1970年，芝加哥大学的南部阳一郎和玻尔研究所的尼尔森得出结论[B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科学技术出版社，2007年，第 137页］：经过深入细致的研究，他们发现该方程实际上描述了一种类似弦的粒子的行为（而不是之前所认为的点粒子），这种弦不仅可以伸长和收缩，还可以震动和摇摆。如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子，那么，它们的核的相互作用就能精确地用欧拉函数来描写。他们论证后得出结论，如果这些弦足够小，那么它们看起来就像一粒点粒子。

弦理论由此建立。

根据弦理论［B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科学技术出版社，2007年，第136页~144页]：宇宙的基本构成要素不是点粒子，而是有点像细橡皮筋的上下振动的一堆丝线。不过，别让这个名字给骗了，它不是像一根普通的弦，本身也是由分子和原子构成；弦理论的弦被认为是深藏在物质核心里的。根据弦理论，弦是构成原子的粒子的超微观组成元。弦理论的弦小的可怜，平均大约是普朗克长度的尺寸。所以即使我们用最灵敏的仪器来检查，它们看起来也像点一样……弦是真正基本的东西---是“原子”，是古希腊人本来的意义上，也就是不可分的基元……弦就是弦，没有比它更基本的东西，所以不能把它描写成有别的任何物质组成的东西……共振是那些峰谷正好在弦的两个端点间张开的波动模式……弦理论中的弦也有类似性质，在这里，弦可能产生的共振模式是在它的空间范围内恰当展开的峰和谷。像琴弦的不同振动模式奏响不同乐音那样，一根基本弦的不同振动模式生成了不同的质量和力荷……依照弦理论，一个基本“粒子”的性质---它的质量和不同的力荷——是由它内部的弦产生的精确的共振模式决定的。弦与粒子质量的关联很容易理解。弦的某个振动模式的能量取决于它的振幅（峰谷的最大相对位移）和波长（相邻两个峰或谷之间的距离），振幅大的和波长小的，能量较大……大能量意味着大质量，大质量也就是大能量。质量较大的粒子所具有的弦振动较剧烈，质量小的粒子所具有的弦振动较轻柔。

弦理论（以及它的升级版超弦理论）的基本观点是：光子、电子、亚原子粒子和自然界的基本单元不是没有结构的点粒子，而是很小、线状的、类似于细橡皮筋一样振动的弦。弦的不同振动模式产生出各种不同的基本粒子和不同的力荷。

问题和不足

弦理论存在的问题［B·格林，《宇宙的琴弦》，湖南科学技术出版社，2007年，第 137~138页］

1.它只简单描述了标量玻色子，没有将费米子引入框架内；

2.没有包含一般量子场论中的规范对称性；

3.即当研究它的‘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。

严格上讲，在相对论中，‘快子’被允许存在，只要它的速度永远不低于光速。真正的麻烦在于，如果这种‘快子’被引入到量子场论，那么真空中就不再是最低能量态了，也就是说，连真空也变得不稳定，它必将衰变成别的东西，这与量子场论产生了严重冲突。

弦理论学家们认为，如果弦理论是对的，那么他们希望超对称性也是对的。弦理论的标新立异的思路激发了众人的热情，一时间出现了众多的弦理论。

虽然描述强作用力的弦理论直观、简单，也令人满意，但不久人们发现它也存在许多的问题。弦理论所根据的‘粒子模型’却遇到一些无法解释的问题。比如，在靠近粒子的地方引力会增加至无限大。20世纪70年代初，高能实验已经能探索更深层的亚原子世界，实验表明，弦理论学模型预言的某个数直接与观测结果相矛盾：物理学家们发现一个弦理论的问题是它似乎管得太多了，这个理论中振动的弦的图像具有类胶子的性质。这一点证实了它原来是一个强力理论的宣言，但是，除了这些它还包含着多余的信使粒子似乎与强力的任何实验观测都不相干。

因此，早期的弦理论也称为玻色弦理论，因为早期的弦只能描述玻色子。按照粒子标准模型，构成物质的粒子——费米子具有1/2自旋。早期弦理论的弦只能描述整数自旋的振动模式，而没有半整数的自旋振动模式，即早期的弦无法描述费米子的振动模式。如果用弦理论要成为一个描述微观世界的理论，必须能够描述所有的基本作用力和物质（玻色子和费米子），即包含费米子的振动模式。

因为弦理论的弦具有波长和频率等波动特性，个人认为，可以把弦看作是一种“波动模型”。德布罗意和薛定谔的“物质波”是将转瞬即逝的电磁波“物质化”的初次尝试（失败了），而弦理论在将电磁波物质化的路上走的更远，也更彻底。弦理论不仅把电磁波变成一种“实实在在”的物质，更是“改头换面”以便“暗渡陈仓”。弦理论的弦是一种特殊“物质”，弦具有波动性，又具有粒子性，因此，弦能够解释粒子说理论无法解释的波长和频率问题。同时，又回避了电磁波的概念，解释了波动说理论无法解释的物质“实在性”问题。

问题来了，弦理论的弦虽然具有电磁波的形，有波长和振动频率，但却没有电磁波的“魂”，即不能解释电磁波的干涉、衍射和偏振现象（量子力学的点粒子更无法解释），并且电磁波谱非常宽，哪些谱段的电磁波“看起来”像一个粒子呢？

更让人难以理解的是，弦理论要求时空结构是26个维度，而我们的空间结构是3个维度。相对论增加了一维时间而成为四维时空结构（事实上，大多数人都不明白四维时空的内涵，仅仅把四维时空理解为一种具有时间动态的录像片）。现在突然跳出来一个26维时空，大多数人无法理解这些“多余”的维度，到哪里去寻找这些“看不见摸不着”的维度呢？

现在最大的问题是这个解决量子力学的问题的方法本身成了一个新问题。由于一时找不到解决新问题的方法，弦理论也“前路茫茫”，人们对这个新理论的热情开始消退，弦理论为很多人所抛弃。但是，弦理论并没有彻底失败，它只是暂时沉寂。马上，它就会焕发新的生命力，一跃成为终极理论的最佳“种子选手”。

需要反思的是，我们身处在同一个宇宙，只需要一个能够自洽解释这个宇宙的理论，即终极理论。我们不能坚信一些理论完全正确，同时又为解释同一事物的新理论欢呼叫好。我们永远不能忘记，真理只有一个，观点尖锐对立的理论只有一个是唯一正确的理论，不能公说公有理婆说婆有理大家说的都对。智慧从怀疑开始，真正的科学精神是怀疑与批判。终极理论不会是一个全新的理论，它就藏在现有的理论之中，当我们以客观逻辑为工具，就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

下一篇《弦的自我革命 ：超弦理论》

尤瓦尔·赫拉利在2017年年9月13日侠客岛对其的采访中指出[http://m.kdnet.net/share-12412205.html?from=groupmessage]：尊重知识、听取学者意见很好，但发展到崇拜任何人的程度都很危险，包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威，他（她）自己都可能信以为真，进而变得骄傲自大，甚至陷入疯狂。对追随者而言，一旦他们信奉某人为权威，便会自我设限，停止努力，只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的，他们也会通盘接受。

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧，他们点亮了一个又一个灯塔，指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确，也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误，那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

《一只大象—体系与体系的对话》参考及引用

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