弦理論，能從少數(shù)假設(shè)中自然浮現(xiàn)嗎？

假如可以把一個(gè)蘋果不斷分解成越來越小的部分，你會(huì)先得到分子，然后是原子，再往下則是質(zhì)子這樣的亞原子粒子；質(zhì)子本身還不是最基本的，它由夸克和膠子構(gòu)成。夸克和膠子是已知最基本的粒子，但根據(jù)弦理論學(xué)家的說法，如果繼續(xù)深入到更小的尺度，最終會(huì)發(fā)現(xiàn)還有東西存在，即微小的振動(dòng)弦。

但一直以來，弦理論備受爭議：一些科學(xué)家支持它，另一些科學(xué)家則認(rèn)為它缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

現(xiàn)在，在一篇新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的論文中，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。他們認(rèn)為，只要對(duì)物理散射過程作出幾個(gè)簡單假設(shè)，弦理論就會(huì)不可避免地浮現(xiàn)出來。

難以驗(yàn)證的弦

弦理論發(fā)展于20世紀(jì)60年代。如今，這一理論被視為“量子引力”問題的一種可能的解法。所謂量子引力，追問的是如何把描述最小尺度世界的量子理論，與解釋宇宙最大尺度運(yùn)行方式、并包含引力的廣義相對(duì)論協(xié)調(diào)起來。研究人員一直試圖調(diào)和這兩種理論，例如追問引力在量子領(lǐng)域中會(huì)如何表現(xiàn)等問題。但當(dāng)他們試圖寫出相應(yīng)的方程時(shí)，這些方程就會(huì)變得失控，或者用數(shù)學(xué)語言來說，會(huì)趨于無窮大。

弦理論是一種能夠馴服這些難以處理的無窮大的數(shù)學(xué)解法。它主張，所有粒子，包括引力子（一種能傳遞引力的假想粒子）都是由極其微小的振動(dòng)弦產(chǎn)生的。弦理論背后的數(shù)學(xué)要求這些弦至少在十維時(shí)空中振動(dòng)，而不是只在我們所生活的四維（三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度）時(shí)空中振動(dòng)。

對(duì)弦理論來說，最大的質(zhì)疑集中在：到目前為止，它的預(yù)測還無法被檢驗(yàn)，而且未來也可能永遠(yuǎn)無法進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)它需要極高的能量，例如一臺(tái)如星系般大的粒子對(duì)撞機(jī)。沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)，物理學(xué)家就永遠(yuǎn)無法宣稱弦理論真正描述了現(xiàn)實(shí)世界。

從基本假設(shè)出發(fā)

在新的研究中，研究人員提出，或許可以改為追問一個(gè)退而求其次、但同樣重要的問題：弦理論在多大程度上可以從更溫和、或更廣泛接受的假設(shè)中推出。

為了深入探究這一問題，他們采用了一種被稱為“自舉”的策略。在這種方法中，研究人員先從一些他們認(rèn)為宇宙應(yīng)當(dāng)滿足的基本假設(shè)出發(fā)，再觀察這些假設(shè)會(huì)自然導(dǎo)出什么。

他們考察了一種叫作“散射振幅”的數(shù)學(xué)對(duì)象。它可以用來計(jì)算粒子碰撞后各種可能結(jié)果發(fā)生的概率。但如果用廣義相對(duì)論來計(jì)算越來越高能量下的散射振幅，那些不受控制的無窮大發(fā)散就會(huì)冒出來。從數(shù)學(xué)上看，這樣的結(jié)果沒有意義，也不可能對(duì)應(yīng)真實(shí)的物理情況。

這正是弦理論的亮點(diǎn)所在。弦理論能夠以幾種方式阻止數(shù)學(xué)結(jié)果趨于無窮大，其中一種被稱為“超軟性”。也就是說，在極高能量下，弦會(huì)把相互作用軟化，或者說攤開、抹平，使其在數(shù)學(xué)上更容易處理。

研究人員把粒子高能散射中的這種“超軟”行為，作為他們的起始假設(shè)之一。研究人員并沒有預(yù)先假設(shè)弦的存在，而是只把這樣一個(gè)條件作為出發(fā)點(diǎn)：在高能下，粒子發(fā)生散射的概率會(huì)降低。而這一點(diǎn)，正是馴服量子引力理論中那些棘手的無窮大發(fā)散所需要的。

此外，他們還提出了另一個(gè)關(guān)于粒子散射行為的假設(shè)，稱為“極小零點(diǎn)”；這個(gè)假設(shè)更加復(fù)雜。理論一致性不僅要求散射振幅能夠描述相互作用，也要求它們在某些被稱為“零點(diǎn)”的特殊運(yùn)動(dòng)學(xué)點(diǎn)上不發(fā)生相互作用。這一假設(shè)要求，在方程數(shù)學(xué)上允許的范圍內(nèi)，這類使振幅為零的點(diǎn)數(shù)量要盡可能少。

從描述這兩個(gè)假設(shè)的數(shù)學(xué)條件出發(fā)，研究人員最終得到了兩種可能的散射振幅，分別稱為Veneziano振幅和Virasoro-Shapiro振幅——而它們正是弦理論所預(yù)測的振幅。

并非最終證明

不過，這并不意味著弦理論就是正確的，因?yàn)檫@項(xiàng)工作還不能算作弦理論的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但從理論角度看，它非常具有啟發(fā)性。

這種自舉法有助于物理學(xué)家鎖定弦理論的定義性特征，也有助于研究人員提出替代理論——如果弦理論并不正確，那么在尋找另一個(gè)模型時(shí)，需要去掉哪些基本假設(shè)？

這種研究方法顛覆了理論物理學(xué)通常的研究路徑。通常情況下，物理學(xué)家會(huì)先寫下某種優(yōu)美的理論，思考某個(gè)深刻的想法，再去計(jì)算出某些也許能在實(shí)驗(yàn)中測量的東西。現(xiàn)在，這項(xiàng)工作恰恰把這個(gè)過程反了過來。

#參考來源：

https://www.caltech.edu/about/news/string-theory-emerges-from-almost-nothing

https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2026/may/string-theory-emerges-from--almost-nothing-.html?challenge=d06e90d7-4d8f-4b88-9d8c-10b73beb60f1

https://www.sciencenews.org/article/string-theory-assumptions-bootstrap

https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/cw4p-cqh7

#圖片來源：

封面圖&首圖：AI-generated art by Clifford Cheung