编者按:我们重新发布这篇 2008 年 3 月刊的文章,以突出本年度的重大新闻。
“冲浪者惊呆物理学家,提出万物理论。”去年 11 月,《每日电讯报》的一则头条新闻这样写道。这个故事流传开来,迅速引起了广泛的关注(甚至我的牙医都问起了这件事)。物理博客圈里充斥着长篇累牍的评论,攻击和辩护着这项理论,然后又攻击讨论的语气。喧嚣和激烈的争论逐渐平息,主流物理学界仍然基本上不相信这项理论能够站得住脚。牛津大学数学家马库斯·杜·索托伊在一月份末的《电讯报》上写道:“不幸的是,经过调查,人们的共识是,不可能按照利西希望的方式使用 E8,并产生一个反映现实的连贯模型。”
当然,并非所有人都同意这种观点。
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备受关注的冲浪者 A. 加勒特·利西在冲浪、滑雪和思考物理学之间分配时间时,提出了他的理论。他拥有加州大学圣地亚哥分校的物理学博士学位,但此后没有担任过任何学术职位。在媒体大肆报道之前,他曾在会议和邀请研讨会上展示了他的想法。从一开始,他就很快表示他的理论正确的可能性非常小,但他认为弦理论(物理学家最喜欢的方法)的可能性更小。
从表面上看,该理论听起来像一个不可思议的发现。它基于一个被称为 E8 的非凡数学结构。E8 有 248 个维度,是被称为特殊简单李群的五个特殊对象中最大、最复杂和最美丽的。 (利西的论文标题《一个非常简单的万物理论》首先就是一个双关语。)尽管 E8 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 个或 11 个维度。
E8 以前曾在物理学中出现过,最著名的是在弦理论中,但利西的理论更让人想起 20 世纪 60 年代早期,当时物理学家默里·盖尔曼指出,当时已知的亚原子粒子动物园可以组织成与另一个(更基本的)李群 SU(3) 的特征相对应的模式。其中一个模式缺少一个粒子,盖尔曼预测应该存在一个具有某些属性的粒子来填补那个位置。实验者很快就发现了这样一个粒子。
如今,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。利西的见解是,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的方式将粒子放置在好看的模式中;粒子的电荷等若干属性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传递力的粒子(在行业中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——但只有在 E8 没有提供的详细数学基础下才行。陈述这个问题的一种方式是,如果新理论真的描述了玻色子和费米子,那么它将它们放置其中的结构根本不可能是李群。
利西辩称,他正在使用所谓的 BRST 理论中的“数学技巧”,BRST 理论是弦理论和量子场论中使用的既定形式,其中一些玻色子和费米子扮演着与其通常角色相反的角色(并被称为“鬼子”)。但在普通的 BRST 理论中,鬼子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 理论中始终如一地做到这一点。
关于利西理论优点的最长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,后者曾被媒体广泛引用,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。)斯莫林还迅速写了一篇论文,提出了纠正 E8 提案中某些缺陷的方法。为了使 E8 理论中的粒子正确地表示已知粒子,用于形成标准模型的小群组合必须以正确的方式嵌入 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,该理论已经死了,不值得尝试复活。然而,关于迪斯特勒证明的细节的争论仍在继续,最终双方都没有让步。顺便说一句,利西在这些争议中几乎没有扮演任何角色。
今天,该理论基本上被忽视了,但并非完全如此。利西自然会继续研究它,斯莫林也是如此。利西说,即使迪斯特勒所说的是真的,那也只适用于他的论文中最初使用的 E8 的变体(“实 E8”),而另一个变体(“复 E8”)肯定会奏效。斯莫林认为,媒体的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一种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,但它也是如此。”