“冲浪者震惊物理学家,提出万物理论。” 这是去年11月《每日电讯报》的一个头条新闻。这个故事流传开来,并迅速广为人知(甚至我的牙医也问起我这件事)。物理学博客圈里充斥着长篇评论,攻击和捍卫该理论,然后又攻击讨论的语气。喧嚣和激烈的争论已经平息,主流物理学界仍然基本上不相信该理论能够站得住脚。正如牛津大学数学家马库斯·杜·索托伊在1月下旬在《电讯报》上写道:“不幸的是,经过调查,共识是E8不可能像利西希望的那样使用,并产生一个反映现实的连贯模型。” 当然,并非所有人都同意。
A. 加勒特·利西,这位有问题的冲浪者,在他的理论出现时,他将时间分配在冲浪、滑雪和思考物理学之间。他拥有加州大学圣地亚哥分校的物理学博士学位,但此后一直没有担任任何学术职位。在媒体大肆宣传的几个月前,他曾在会议和邀请研讨会上介绍过自己的想法。从一开始,他就很快评论说,他的理论正确的可能性非常小,但他认为弦理论(物理学家最青睐的方法)的可能性甚至更小。
从表面上看,这个理论听起来像是一个令人难以置信的发现。它基于一个非凡的数学结构,称为E8。E8有248个维度,是五个被称为异常单李群的特异对象中最大、最复杂和最美丽的。(利西的论文标题“一种异常简单的万物理论”首先是一个双关语。)尽管E8具有大量的维度,但该理论描述的物理宇宙可能只有我们熟悉的四个维度,而不是弦理论的10或11个维度。
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E8以前曾在物理学中出现过,最值得注意的是在弦理论中,但利西的理论更让人想起1960年代早期,当时物理学家默里·盖尔曼注意到,当时已知的亚原子粒子动物园可以组织成与另一个(以及更基本的)李群SU(3)的特征相对应的模式。其中一种模式缺少一个粒子,盖尔曼预测应该存在一个具有某些性质的粒子来填补这个位置。实验学家很快就发现了这样一个粒子。
今天,粒子物理学的标准模型将所有已知的基本粒子组织成这些模式(或“表示”),但它需要三个李群的组合来解释粒子如何通过三种基本力(电磁力以及强核力和弱核力)相互作用。利西的洞察力在于,他可以将所有这些粒子放置在E8的表示上,只留下少量空位。这个过程不仅仅是以某种任意方式将粒子放入漂亮的模式中;几个性质,例如粒子的电荷,必须与表示中的相关量完全匹配。此外,这些模式包括产生四种基本力的粒子,包括引力。因此,在利西的论文标题中乐观地使用了“万物理论”。
然而,更仔细的检查揭示了一些侏罗纪大小的瑕疵。例如,该理论以一种起初看起来根本不一致的方式组合了物质粒子和力载粒子,在行业内分别称为费米子和玻色子。各种“超对称”理论(包括超弦理论)也组合了费米子和玻色子,但只有E8没有提供的详细数学基础。陈述问题的一种方式是,如果新理论真的描述了玻色子和费米子,那么它将它们放置在其中的结构根本不可能是李群。
利西辩称,他正在使用BRST理论(弦理论和量子场论中使用的已建立的形式主义)中的“数学技巧”,其中一些玻色子和费米子扮演与其通常角色相反的角色(并被称为“鬼”)。但在普通的BRST理论中,鬼永远不会表现为可检测到的物理粒子,因此不清楚它们如何在E8理论中一致地做到这一点。
关于利西理论优点的最长时间的公开辩论主要发生在德克萨斯大学奥斯汀分校的雅克·迪斯特勒和安大略省圆周理论物理研究所的李·斯莫林之间,后者在媒体上被广泛引用,对该理论给予了毫无保留的赞扬。(斯莫林说他的话被断章取义了。)斯莫林还迅速撰写了一篇论文,建议纠正E8提案中的某些缺陷。为了使E8理论中的粒子正确地表示已知的粒子,用于形成标准模型的较小群体的组合必须以恰当的方式嵌入E8内部。迪斯特勒在他的博客中证明了这在数学上是不可能的。就他而言,该理论已经死亡,不值得尝试复苏。然而,关于迪斯特勒证明的细节的争论仍在继续,最终以双方都没有让步而告终。顺便说一句,利西在这些争端中几乎没有扮演任何角色。
今天,该理论在很大程度上被忽视,但并非完全如此。利西自然地继续研究它,斯莫林也是如此。利西说,即使迪斯特勒所声称的是真的,那也只适用于他的论文最初使用的E8变体(“实E8”),而另一个变体(“复E8”)肯定会奏效。斯莫林认为,新闻报道给人一种错误的印象,即利西的提案是一项完成的工作。“实际上,”他说,“几乎每一个新的理论提案最初都以有缺陷和不完整的方式呈现,存在需要填补的开放性问题……。虽然利西的提案有令人兴奋的方面,但这正是它的情况。”