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  • 弦理论

    弦理论(String theory)终于作出可用实验验证的预测,不过是在物理学一块意想不到的范畴内。

    长期以来,弦理论一直标榜是最可能成为「万有理论」(the theory of everything)的学说,许多学者认为弦理论可望一统物理学,下探微乎其微之小、上探浩瀚寰宇之大的物质结构。然而,弦理论无法作出可经实验验证的预测,则是众所诟病及奚落的一点。问题不在于我们的粒子加速器不够大,或电脑运算能力不够强;一些抨击弦理论砲火最勐的学者批评,问题出在根本想不出什麽实验可证实弦理论的真伪,因此这个理论毫无用处。

    但现在,伦敦帝国理工学院(Imperial College London)及美国史丹佛大学(Stanford University)的物理学家,已联手找出弦理论实用之处,虽然与万有理论无关,但解释了「量子缠结」(quantum entanglement)的现象。

    「我们可以用弦理论解决不同领域的物理问题,」伦敦帝国理工学院的理论物理学家达夫(Michael Duff)指出,「这种情况下,弦理论就有用了,因为我们根据弦理论提出的陈述,基本上可以用实验来证明。」在9月2日《物理评论通讯》(Physical Review Letters)发表的一份论文中,达夫和共同研究的同仁提出他们的新发现。

    根据弦理论,物质的最小单位其实可拆解到比电子跟夸克(quarks)还小,是一小圈一小圈振动的能量弦线;弦线移动及振动的频率不一,因而形成质量及电荷等特性殊异的各种粒子。这个新颖的观点可统整所有基本作用力,解释基本粒子的成因,并将爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论与量子力学结合。但要完成上述任务,弦理论必须将额外的六维时空紧化,塞进目前我们习以为常的四维时空概念。

    若想理解多出的6个维度藏到哪了,可以想像一个画面:两栋高楼间有一条缆绳,一个人在上头走钢索。对走钢索的人而言,缆绳只是一条一维的线,但对缆绳上爬行的蚁群来说,缆绳有第二维,也就是它立体的厚度;走钢索的人只看到一维,蚂蚁却看到二维。同样的道理,儘管人类只能看到三维空间,弦理论中的能量弦线却可以有9或10个维度。

    遗憾的是,这个假想的画面是否为真,我们无从得知。儘管如此,虽然弦理论家无法以实验证明弦理论这个巨大的概念,却能用此世界观来描述黑洞这个自然现象。

    四年前,达夫到澳洲塔斯梅尼亚岛(Tasmania)参加一场研讨会,在听一场演讲时,他突然发现,弦理论家用以叙述黑洞的数学演算,跟用来叙述某些量子系统的数学毫无二致。量子系统即所谓的「量子位元」(quantum bits或qubits)。

    量子位元是量子资讯理论的核心,超高速计算机及安全通讯系统均以此发展而成。量子与量子间有时会呈一种紧密相连的量子态,即为「量子缠结」。当2个量子位元缠结时,若改变其中一个的量子态,另一个量子位元的量子态也会改变,即便两者的实际距离很远亦然。

    「那时我听着主讲者的演讲,突然意识到他描述量子缠结所用的数学,跟我几年前用弦理论描述黑洞的数学非常类似。」达夫说。而后,他进行深入研究,发现描述3个量子位元缠结的数学演算,与描述某一类黑洞的数学演算完全相同。

    达夫和研究小组成员这份新研究中,把这个雷同又往前推了一步。他们以叙述弦论黑洞(stringy black holes)的数学运算,计算出描述4个量子位元缠结的新方法,而这正是目前量子资讯理论中未知的一块。

    「我们用弦理论技术提出过去未知的陈述,」达夫指出,「我们不知道所得出的是一个基本原理,还是一则冷僻的数学演算,但无论如何都有实质用途,可陈述量子缠结的现象。」

    达夫表示,除此之外,他们的陈述十分精确,且能以实验证明,跟许多先前提出的弦理论检测方法迥然不同。

    「所以我们的论文可以说是同时带来好消息跟坏消息,」他说道,「坏消息是,我们并非得出弦理论就是万有理论;好消息是,我们的陈述非常精确,不是对就是错,不会有灰色地带。」

    达夫强调,这个验证弦理论的方法仅与量子缠结有关,而非描述整个宇宙的根本物理学说。因此,弦理论是否为万有理论,争论的战火仍将持续延烧。

    「我已经可以想像,弦理论的反对派应该在准备反击了。」达夫说。

    达夫(Sheldon Glashow猜得没错。不管是质疑弦理论的诺贝尔奖得主格雷瑟),或是一些弦理论家,如加州理工学院(California Institute of Technology)的施瓦兹(John Schwarz)、马里兰大学的盖兹(James Gates),及普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study)的马多西纳(Juan Maldacena)及维顿(Edward Witten)等人,许多支持或反对弦理论的学者都认为,达夫的论证「无法检测弦理论」,且「与万有理论毫无关连」。

    知名物理暨数学网志「连错都不够格」(Not Even Wrong)的作者,即哥伦比亚大学(Columbia University)数学家沃特(Peter Woit)认为,这份研究就连宣称是检测量子缠结都太超过了。

    「坦白说,我认为这完全太扯。」沃特说。他指出,就算两者数学演算如出一辙,检测缠结的量子系统也只能看出你理解数学的程度。

    「某量子力学问题跟某类黑洞的数学结构相同,这本来就可能发生,根本没什麽大不了,」他说,「这根本不代表两者可互为证明。」

    维顿则对这个理论抱持较乐观态度,指出弦理论的数学演算过去即曾与物理学某些领域恰巧吻合,早有贡献。「大体来说,这类研究证明弦理论有实用之处,而且事实上弦理论现在已运用在许多层面。」

    但维顿补充说明:「很多人可能会推论,如果一个物理理论已经运用在物理学跟数学中许多层面,那这个理论应该是对的,但其实这是两回事。」

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