弦理论

弦理论（String theory）终于作出可用实验验证的预测，不过是在物理学一块意想不到的范畴内。

长期以来，弦理论一直标榜是最可能成为「万有理论」（the theory of everything）的学说，许多学者认为弦理论可望一统物理学，下探微乎其微之小、上探浩瀚寰宇之大的物质结构。然而，弦理论无法作出可经实验验证的预测，则是众所诟病及奚落的一点。问题不在于我们的粒子加速器不够大，或电脑运算能力不够强；一些抨击弦理论砲火最勐的学者批评，问题出在根本想不出什麽实验可证实弦理论的真伪，因此这个理论毫无用处。

但现在，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）及美国史丹佛大学（Stanford University）的物理学家，已联手找出弦理论实用之处，虽然与万有理论无关，但解释了「量子缠结」（quantum entanglement）的现象。

「我们可以用弦理论解决不同领域的物理问题，」伦敦帝国理工学院的理论物理学家达夫（Michael Duff）指出，「这种情况下，弦理论就有用了，因为我们根据弦理论提出的陈述，基本上可以用实验来证明。」在9月2日《物理评论通讯》（Physical Review Letters）发表的一份论文中，达夫和共同研究的同仁提出他们的新发现。

根据弦理论，物质的最小单位其实可拆解到比电子跟夸克（quarks）还小，是一小圈一小圈振动的能量弦线；弦线移动及振动的频率不一，因而形成质量及电荷等特性殊异的各种粒子。这个新颖的观点可统整所有基本作用力，解释基本粒子的成因，并将爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论与量子力学结合。但要完成上述任务，弦理论必须将额外的六维时空紧化，塞进目前我们习以为常的四维时空概念。

若想理解多出的6个维度藏到哪了，可以想像一个画面：两栋高楼间有一条缆绳，一个人在上头走钢索。对走钢索的人而言，缆绳只是一条一维的线，但对缆绳上爬行的蚁群来说，缆绳有第二维，也就是它立体的厚度；走钢索的人只看到一维，蚂蚁却看到二维。同样的道理，儘管人类只能看到三维空间，弦理论中的能量弦线却可以有9或10个维度。

遗憾的是，这个假想的画面是否为真，我们无从得知。儘管如此，虽然弦理论家无法以实验证明弦理论这个巨大的概念，却能用此世界观来描述黑洞这个自然现象。

四年前，达夫到澳洲塔斯梅尼亚岛（Tasmania）参加一场研讨会，在听一场演讲时，他突然发现，弦理论家用以叙述黑洞的数学演算，跟用来叙述某些量子系统的数学毫无二致。量子系统即所谓的「量子位元」（quantum bits或qubits）。

量子位元是量子资讯理论的核心，超高速计算机及安全通讯系统均以此发展而成。量子与量子间有时会呈一种紧密相连的量子态，即为「量子缠结」。当2个量子位元缠结时，若改变其中一个的量子态，另一个量子位元的量子态也会改变，即便两者的实际距离很远亦然。

「那时我听着主讲者的演讲，突然意识到他描述量子缠结所用的数学，跟我几年前用弦理论描述黑洞的数学非常类似。」达夫说。而后，他进行深入研究，发现描述3个量子位元缠结的数学演算，与描述某一类黑洞的数学演算完全相同。

达夫和研究小组成员这份新研究中，把这个雷同又往前推了一步。他们以叙述弦论黑洞（stringy black holes）的数学运算，计算出描述4个量子位元缠结的新方法，而这正是目前量子资讯理论中未知的一块。

「我们用弦理论技术提出过去未知的陈述，」达夫指出，「我们不知道所得出的是一个基本原理，还是一则冷僻的数学演算，但无论如何都有实质用途，可陈述量子缠结的现象。」

达夫表示，除此之外，他们的陈述十分精确，且能以实验证明，跟许多先前提出的弦理论检测方法迥然不同。

「所以我们的论文可以说是同时带来好消息跟坏消息，」他说道，「坏消息是，我们并非得出弦理论就是万有理论；好消息是，我们的陈述非常精确，不是对就是错，不会有灰色地带。」

达夫强调，这个验证弦理论的方法仅与量子缠结有关，而非描述整个宇宙的根本物理学说。因此，弦理论是否为万有理论，争论的战火仍将持续延烧。

「我已经可以想像，弦理论的反对派应该在准备反击了。」达夫说。

达夫（Sheldon Glashow猜得没错。不管是质疑弦理论的诺贝尔奖得主格雷瑟），或是一些弦理论家，如加州理工学院（California Institute of Technology）的施瓦兹（John Schwarz）、马里兰大学的盖兹（James Gates），及普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study）的马多西纳（Juan Maldacena）及维顿（Edward Witten）等人，许多支持或反对弦理论的学者都认为，达夫的论证「无法检测弦理论」，且「与万有理论毫无关连」。

知名物理暨数学网志「连错都不够格」（Not Even Wrong）的作者，即哥伦比亚大学（Columbia University）数学家沃特（Peter Woit）认为，这份研究就连宣称是检测量子缠结都太超过了。

「坦白说，我认为这完全太扯。」沃特说。他指出，就算两者数学演算如出一辙，检测缠结的量子系统也只能看出你理解数学的程度。

「某量子力学问题跟某类黑洞的数学结构相同，这本来就可能发生，根本没什麽大不了，」他说，「这根本不代表两者可互为证明。」

维顿则对这个理论抱持较乐观态度，指出弦理论的数学演算过去即曾与物理学某些领域恰巧吻合，早有贡献。「大体来说，这类研究证明弦理论有实用之处，而且事实上弦理论现在已运用在许多层面。」

但维顿补充说明：「很多人可能会推论，如果一个物理理论已经运用在物理学跟数学中许多层面，那这个理论应该是对的，但其实这是两回事。」