編者按:我們重新發布這篇 2008 年 3 月刊的文章,以突出本年度的重大新聞。
“衝浪者驚呆物理學家,提出萬物理論。”去年 11 月,《每日電訊報》的一則頭條新聞這樣寫道。這個故事流傳開來,迅速引起了廣泛的關注(甚至我的牙醫都問起了這件事)。物理部落格圈裡充斥著長篇累牘的評論,攻擊和辯護著這項理論,然後又攻擊討論的語氣。喧囂和激烈的爭論逐漸平息,主流物理學界仍然基本上不相信這項理論能夠站得住腳。牛津大學數學家馬庫斯·杜·索托伊在一月份末的《電訊報》上寫道:“不幸的是,經過調查,人們的共識是,不可能按照利西希望的方式使用 E8,併產生一個反映現實的連貫模型。”
當然,並非所有人都同意這種觀點。
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備受關注的衝浪者 A. 加勒特·利西在衝浪、滑雪和思考物理學之間分配時間時,提出了他的理論。他擁有加州大學聖地亞哥分校的物理學博士學位,但此後沒有擔任過任何學術職位。在媒體大肆報道之前,他曾在會議和邀請研討會上展示了他的想法。從一開始,他就很快表示他的理論正確的可能性非常小,但他認為弦理論(物理學家最喜歡的方法)的可能性更小。
從表面上看,該理論聽起來像一個不可思議的發現。它基於一個被稱為 E8 的非凡數學結構。E8 有 248 個維度,是被稱為特殊簡單李群的五個特殊物件中最大、最複雜和最美麗的。 (利西的論文標題《一個非常簡單的萬物理論》首先就是一個雙關語。)儘管 E8 有大量的維度,但該理論描述的物理宇宙可能只有我們熟悉的四個維度,而不是弦理論的 10 個或 11 個維度。
E8 以前曾在物理學中出現過,最著名的是在弦理論中,但利西的理論更讓人想起 20 世紀 60 年代早期,當時物理學家默裡·蓋爾曼指出,當時已知的亞原子粒子動物園可以組織成與另一個(更基本的)李群 SU(3) 的特徵相對應的模式。其中一個模式缺少一個粒子,蓋爾曼預測應該存在一個具有某些屬性的粒子來填補那個位置。實驗者很快就發現了這樣一個粒子。
如今,粒子物理學的標準模型將所有已知的基本粒子組織成這些模式(或“表示”),但它需要三個李群的組合來解釋粒子如何透過三種基本力(電磁力以及強核力和弱核力)相互作用。利西的見解是,他可以將所有這些粒子放置在 E8 的表示上,只留下少量空位。這個過程不僅僅是以某種任意的方式將粒子放置在好看的模式中;粒子的電荷等若干屬性必須與表示中的相關量完全匹配。此外,這些模式包括產生四種基本力的粒子——包括引力。因此,在利西的論文標題中樂觀地使用了“萬物理論”。
然而,更仔細的檢查揭示了一些侏羅紀大小的瑕疵。例如,該理論以一種起初看起來根本不一致的方式組合了物質粒子和傳遞力的粒子(在行業中分別稱為費米子和玻色子)。各種“超對稱”理論(包括超弦理論)也組合了費米子和玻色子——但只有在 E8 沒有提供的詳細數學基礎下才行。陳述這個問題的一種方式是,如果新理論真的描述了玻色子和費米子,那麼它將它們放置其中的結構根本不可能是李群。
利西辯稱,他正在使用所謂的 BRST 理論中的“數學技巧”,BRST 理論是弦理論和量子場論中使用的既定形式,其中一些玻色子和費米子扮演著與其通常角色相反的角色(並被稱為“鬼子”)。但在普通的 BRST 理論中,鬼子永遠不會表現為可檢測到的物理粒子,因此不清楚它們如何在 E8 理論中始終如一地做到這一點。
關於利西理論優點的最長公開辯論主要發生在德克薩斯大學奧斯汀分校的雅克·迪斯特勒和安大略省圓周理論物理研究所的李·斯莫林之間,後者曾被媒體廣泛引用,對該理論給予了毫無保留的讚揚。 (斯莫林說,他的話被斷章取義了。)斯莫林還迅速寫了一篇論文,提出了糾正 E8 提案中某些缺陷的方法。為了使 E8 理論中的粒子正確地表示已知粒子,用於形成標準模型的小群組合必須以正確的方式嵌入 E8 內部。迪斯特勒在他的部落格中證明了這在數學上是不可能的。就他而言,該理論已經死了,不值得嘗試復活。然而,關於迪斯特勒證明的細節的爭論仍在繼續,最終雙方都沒有讓步。順便說一句,利西在這些爭議中幾乎沒有扮演任何角色。
今天,該理論基本上被忽視了,但並非完全如此。利西自然會繼續研究它,斯莫林也是如此。利西說,即使迪斯特勒所說的是真的,那也只適用於他的論文中最初使用的 E8 的變體(“實 E8”),而另一個變體(“復 E8”)肯定會奏效。斯莫林認為,媒體的報道給人一種錯誤的印象,即利西的提案是一項完成的工作。“實際上,”他說,“幾乎每一個新的理論提案最初都以一種有缺陷和不完整的方式呈現,存在需要填補的開放性問題……雖然利西的提案有令人興奮的方面,但它也是如此。”