第15章 万有理论

性。

弦论中不包含任何常数，所以也不存在任何修补或者调整，我们所能做的就是揭示其数学框架，看看它是否能够反映真实的世界。然而不幸的是，这个理论的数学运算极其复杂，截至目前，数百名天赋异禀的物理学家和数学家经过20年的努力，还远远没有把它研究透彻。不过，这方面的研究揭示了一个令人惊叹的、丰富多彩的数学结构，仅凭这一点，就足以向物理学家们表明，他们的研究可能已经走上了正轨。

函数形貌

正如我刚才所提到的，弦论中没有可调参数。我并不是在夸张，真的一个都没有，甚至连空间维度的数量都由理论严格确定下来。然而问题在于，理论给出的答案是错误的，它要求空间应该有9个维度，而不是我们通常认为的3个。

这听上去很尴尬，为什么我们要考虑这样一个与现实明显冲突的理论呢？当然，如果那额外的6个维度被卷曲起来，或者按照物理学家们的说法，被“紧化”，那么就可以避免这个冲突。吸管就是一个简单的紧化的例子，在沿着吸管的方向上它具有较大的尺寸，而垂直于吸管的另一个维度上它卷曲成一个小圆圈。从远处看，吸管就像是一条一维的直线，但是在近处，我们会发现它实际上是一个二维的圆柱表面（见图15.3）。同样地，如果被紧化的维度足够小，那么对于观测者来说这就是不可见的。在弦论中，这些尺度不会比普朗克长度大太多。

图15.3 吸管具有一个二维的圆柱形表面，它在沿着吸管的方向上尺度较大，而在垂直于吸管的另一个小维度上卷曲成一个圆圈

这些额外维度的主要问题在于，我们还不清楚它们是如何被紧化的。如果只有一个额外维度，那么就只有一种紧化方法，即将其卷成一个圆；二维表面则可以被紧化为一个球、一个甜甜圈，或者一个有大量“把手”的更为复杂的曲面（见图15.4）；而对于更高的维度，紧化的方式将成倍增加。弦的振动状态取决于额外维度的尺寸和形状，因此每个新的紧化方法都对应于一个新型真空，其中拥有的新型粒子在质量和相互作用这些基本性质上都全然不同。

图15.4 使两个额外维度紧化的不同方法。图中没有显示未经紧化的大型维度

弦论学家们希望这一理论最终可以产生描述我们自己世界的独特的紧化过程，并解释我们所观测到的所有粒子的物理参数数值。在20世纪80年代，随着一些数学突破所带来的兴奋的浪潮，这个目标看上去即将达成，弦论也被认为是未来的“万有理论”——对于一个尚未做出任何可观测预测的理论来说，这个要求有点儿太高了！但是渐渐地，出乎意料的情况出现了：这个理论似乎允许数千种不同的紧化。

雪上加霜的是，到了20世纪90年代中期，一些意想不到的新进展使得事情变得更糟了。随着对弦论的数学研究逐渐深入，大家开始清楚地认识到，除了一维的弦，这个理论中还必须包括二维的薄膜状物体，以及一些更高维的类似物，所有这些新成员被统称为膜。振动的小膜看上去很像粒子，但是它们又大又重，粒子加速器无法产生它们。膜有一个令人不快的副作用，它们大幅增加了构建新型真空的方法的数量。一张膜可以像橡皮筋那样包裹在一些紧化维度的周围，每一个这样的新的稳定膜结构都提供了一个新型真空。你可以用紧化空间的每一个“把手”去包裹一个、两个，甚至更多的膜，由于把手数量众多，相应的包裹方式总数也极为庞大。这个理论的方程中没有可调常数，但是它们的解（用以描述不同的真空态）包含了几百个特征参数，比如紧化维度的尺寸、膜的位置等等。

如果我们只有一个参数，它就与普通粒子理论中的标量场非常相似。正如我们在之前的章节中所讨论的，它将像能量函数中的小球那样，滚到离它最近的能量密度最小的地方。如果有两个参数，函数形貌将是如图15.5所示的二维结构，其中包含许多最大值（山峰）和最小值（山谷），而一个最小值就代表一个真空态，它的高度就是相应的真空能量密度（即宇宙学常数）。

弦论中包含的参数要多得多，因此它的真实的能量函数形貌要比图中所示的复杂得多。要考虑到所有的参数，我们需要一个拥有几百个维度的空间，它无法在一张纸上画出来，但是我们仍然可以从数学上对其进行分析。据粗略估计，它包含10500个不同的真空，其中有些真空和我们的类似，而另一些拥有全然不同的自然常数，还有一些差异更大，甚至拥有完全不同的粒子和相互作用，或者拥有三个以上的大型空间维度。

图15.5 二维的能量函数形貌。每个维度都代表一个弦论真空的特征参数。注意，这里的维度不同于普通的空间维度

随着函数形貌轮廓的出现，从弦论中推导出与我们世界对应的独一无二的真空的希望迅速消失，但是弦论学家们拒绝接受现实，他们还不打算认输。

翻腾起泡的宇宙

率先打破困局的物理学家是现就职于加州大学伯克利分校的拉斐尔·布索（Raphael Bousso）和圣巴巴拉卡弗里理论物理研究所的约瑟夫·波尔钦斯基。还记得波尔钦斯基吗？他是一个无法忍受人择原理的弦论学家，还承诺如果宇宙学常数被发现，他就会退出物理学界。幸运的是，他变卦了，不管是关于放弃物理学