徹底失敗?

一個被熱炒的萬物理論正在銷聲匿跡

“衝浪者震驚物理學家,提出萬物理論。” 這是去年11月《每日電訊報》的一個頭條新聞。這個故事流傳開來,並迅速廣為人知(甚至我的牙醫也問起我這件事)。物理學部落格圈裡充斥著長篇評論,攻擊和捍衛該理論,然後又攻擊討論的語氣。喧囂和激烈的爭論已經平息,主流物理學界仍然基本上不相信該理論能夠站得住腳。正如牛津大學數學家馬庫斯·杜·索托伊在1月下旬在《電訊報》上寫道:“不幸的是,經過調查,共識是E8不可能像利西希望的那樣使用,併產生一個反映現實的連貫模型。” 當然,並非所有人都同意。

A. 加勒特·利西,這位有問題的衝浪者,在他的理論出現時,他將時間分配在衝浪、滑雪和思考物理學之間。他擁有加州大學聖地亞哥分校的物理學博士學位,但此後一直沒有擔任任何學術職位。在媒體大肆宣傳的幾個月前,他曾在會議和邀請研討會上介紹過自己的想法。從一開始,他就很快評論說,他的理論正確的可能性非常小,但他認為弦理論(物理學家最青睞的方法)的可能性甚至更小。

從表面上看,這個理論聽起來像是一個令人難以置信的發現。它基於一個非凡的數學結構,稱為E8。E8有248個維度,是五個被稱為異常單李群的特異物件中最大、最複雜和最美麗的。(利西的論文標題“一種異常簡單的萬物理論”首先是一個雙關語。)儘管E8具有大量的維度,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或11個維度。


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E8以前曾在物理學中出現過,最值得注意的是在弦理論中,但利西的理論更讓人想起1960年代早期,當時物理學家默裡·蓋爾曼注意到,當時已知的亞原子粒子動物園可以組織成與另一個(以及更基本的)李群SU(3)的特徵相對應的模式。其中一種模式缺少一個粒子,蓋爾曼預測應該存在一個具有某些性質的粒子來填補這個位置。實驗學家很快就發現了這樣一個粒子。

今天,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。利西的洞察力在於,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方式將粒子放入漂亮的模式中;幾個性質,例如粒子的電荷,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力載粒子,在行業內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E8沒有提供的詳細數學基礎。陳述問題的一種方式是,如果新理論真的描述了玻色子和費米子,那麼它將它們放置在其中的結構根本不可能是李群。

利西辯稱,他正在使用BRST理論(弦理論和量子場論中使用的已建立的形式主義)中的“數學技巧”,其中一些玻色子和費米子扮演與其通常角色相反的角色(並被稱為“鬼”)。但在普通的BRST理論中,鬼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理論中一致地做到這一點。

關於利西理論優點的最長時間的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,後者在媒體上被廣泛引用,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。)斯莫林還迅速撰寫了一篇論文,建議糾正E8提案中的某些缺陷。為了使E8理論中的粒子正確地表示已知的粒子,用於形成標準模型的較小群體的組合必須以恰當的方式嵌入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,該理論已經死亡,不值得嘗試復甦。然而,關於迪斯特勒證明的細節的爭論仍在繼續,最終以雙方都沒有讓步而告終。順便說一句,利西在這些爭端中幾乎沒有扮演任何角色。

今天,該理論在很大程度上被忽視,但並非完全如此。利西自然地繼續研究它,斯莫林也是如此。利西說,即使迪斯特勒所聲稱的是真的,那也只適用於他的論文最初使用的E8變體(“實E8”),而另一個變體(“復E8”)肯定會奏效。斯莫林認為,新聞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,但這正是它的情況。”

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