互动科普

我经历过弦论的两次“革命”。

第一次发生在上世纪80年代中期，那时我刚开始读研究生，初步打算研究一种叫超引力的理论，它是把爱因斯坦的引力理论和一种叫超对称的东西结合起来的理论。很奇怪，超对称是70年代首先在弦论中出现的，但人们并没有重视，直到后来人们发现超对称理论的量子性质非常好，才越来越重视它。到了超引力时代，研究者们普遍倾向于认为，引力和超对称结合了，过去无法计算量子引力的困难就被克服了。

弦论经过第一次革命，高能物理学界的许多人觉得，终于找到了统一引力和基本粒子理论的正确理论。那时我也转向学习和研究弦论，写了几篇论文后就去到美国加州大学做博士后。当我真正进入这个领域的时候，发现弦论的进展非常缓慢。人们一度觉得弦论也许没有希望了，主要原因有两个。一是当时存在几个不同的超弦理论，哪一个是自然界“选择”的呢？二是弦论家们无法计算粒子物理中看上去很随意的一些参数，例如，电子和上夸克的质量比。

我有幸亲历了弦论的第二次革命，它发生在上世纪90年代中期。推动这场革命的主要学者当时都是中年人，现在也都60多岁了。这场革命统一了所有看上去不同的弦论，人们发现，原来这些完全不一样的理论（除了理论的基石都是弦）其实是一个更深理论的不同表现，这个理论叫M理论。M理论的基石是膜，但膜本身不稳定，只有当一个空间维度从开放的无限长直线变成有限长的圆之后，绕在圆上的膜才是稳定的。从其他维角度看，这就是弦了（就像将一个膜绷在针上，远远地看上去就是一根线）。

M理论轰轰烈烈地发展了近10年，在这10年中，我一直相信我们找到了正确的终极理论。因为不同的弦理论都统一了，某些黑洞的量子性质也可以计算了，甚至，我们还可以利用弦论来计算过去很多不能计算的问题，例如某些场论中严格的量子效应—过去只会用所谓的微扰方法一级一级地计算近似值。弦论甚至启发了人们研究宇宙学中的一些问题，也启发了粒子物理学家们提出各种不同的理解上帝粒子的图像。可惜，到了本世纪第一个10年，人们失望地发现，我们还是不会计算电子和上夸克的质量比，还是不知道中微子为什么有质量，不知道为什么它们的质量这么小，等等。雪上加霜的是，上世纪末，宇宙学家发现宇宙膨胀的速度越来越大，弦论也不能解释这个现象。当然，有一种“弦景观”的看法认为，弦论中有很多不同的解，不同的解中，宇宙有的加速有的减速。

目前弦论的状态是，它仍然是惟一能够计算量子引力效应的理论，它发展出来的关于引力的全息原理深入人心，被认为是引力的基本原理，并且一些全息理论还可以用来处理场论和凝聚态物理的一些问题。弦论仍然是一个统一的理论，可惜它有许许多多的解，我们仍不知道我们的宇宙为什么是其中一个非常不起眼的解。

最令人沮丧的是，大型强子对撞机在7万亿和8万亿电子伏特的超高能量上高效地运行了两年，发现了上帝粒子，却没有发现超对称。超对称既是弦论的“预言”，也是解决所谓“弱电统一低能标”的主要方案。我们知道，在基本粒子表中，所有已知粒子的质量都不超过2000亿电子伏特，包括新发现的上帝粒子。它们的质量与量子引力设定的能量标度差了16个量级，这是为什么呢？如果存在超对称，这个问题就有了解答，因为超对称将已有的粒子和未知的粒子分为两类，一类质量较轻，一类较重，它同时还保护了较轻粒子的质量不会变大。目前，大型强子对撞机已经将一些超对称粒子的质量下限定在了1万亿电子伏特以上。

超对称被弦论家们当成理所当然应该被发现的。如果真的没有超对称，弦论的实验验证几乎就没有希望了。当然，两年之后大型强子对撞机的能量将提高几乎一倍，也许我们还有机会发现超对称。如果始终没有发现呢？弦论家们就需要开动最好的脑筋，来思考如何通过现在还想象不到的方式验证弦论了。

随着弦论发展的起伏，我时而信心满满，时而感到失望。从长远来看，弦论还是充满希望的，这是因为，除了弦论以外，还真没有能够替代的所谓的量子引力理论，至少全世界聪明的理论物理学家们通过几代人的努力，仍没有找到其他量子引力理论。

李淼，1982年毕业于北京大学天体物理专业，1988年在中国科技大学获博士学位。1989年赴丹麦哥本哈根大学波尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。1990年起先后在美国的大学和研究机构教学和研究。1999年回国，任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师，在国际学术刊物上发表了100余篇学术论文，内容涉及天体、宇宙学、黑洞、引力、Berry Phase、相互作用、弦理论、M理论、超对称规范场及其对偶理论等等。

（本文发表于《科学世界》2013年第3期）