弦理论，能从少数假设中自然浮现吗？

来源：原理

假如可以把一个苹果不断分解成越来越小的部分，你会先得到分子，然后是原子，再往下则是质子这样的亚原子粒子；质子本身还不是最基本的，它由夸克和胶子构成。夸克和胶子是已知最基本的粒子，但根据弦理论学家的说法，如果继续深入到更小的尺度，最终会发现还有东西存在，即微小的振动弦。

但一直以来，弦理论备受争议：一些科学家支持它，另一些科学家则认为它缺乏实验证据。

现在，在一篇新发表于《物理评论快报》的论文中，一个物理学家团队报告了一项新发现。他们认为，只要对物理散射过程作出几个简单假设，弦理论就会不可避免地浮现出来。

难以验证的弦

弦理论发展于20世纪60年代。如今，这一理论被视为“量子引力”问题的一种可能的解法。所谓量子引力，追问的是如何把描述最小尺度世界的量子理论，与解释宇宙最大尺度运行方式、并包含引力的广义相对论协调起来。研究人员一直试图调和这两种理论，例如追问引力在量子领域中会如何表现等问题。但当他们试图写出相应的方程时，这些方程就会变得失控，或者用数学语言来说，会趋于无穷大。

弦理论是一种能够驯服这些难以处理的无穷大的数学解法。它主张，所有粒子，包括引力子（一种能传递引力的假想粒子）都是由极其微小的振动弦产生的。弦理论背后的数学要求这些弦至少在十维时空中振动，而不是只在我们所生活的四维（三个空间维度和一个时间维度）时空中振动。

对弦理论来说，最大的质疑集中在：到目前为止，它的预测还无法被检验，而且未来也可能永远无法进行检验。检验它需要极高的能量，例如一台如星系般大的粒子对撞机。没有实验证据，物理学家就永远无法宣称弦理论真正描述了现实世界。

从基本假设出发

在新的研究中，研究人员提出，或许可以改为追问一个退而求其次、但同样重要的问题：弦理论在多大程度上可以从更温和、或更广泛接受的假设中推出。

为了深入探究这一问题，他们采用了一种被称为“自举”的策略。在这种方法中，研究人员先从一些他们认为宇宙应当满足的基本假设出发，再观察这些假设会自然导出什么。

他们考察了一种叫作“散射振幅”的数学对象。它可以用来计算粒子碰撞后各种可能结果发生的概率。但如果用广义相对论来计算越来越高能量下的散射振幅，那些不受控制的无穷大发散就会冒出来。从数学上看，这样的结果没有意义，也不可能对应真实的物理情况。

这正是弦理论的亮点所在。弦理论能够以几种方式阻止数学结果趋于无穷大，其中一种被称为“超软性”。也就是说，在极高能量下，弦会把相互作用软化，或者说摊开、抹平，使其在数学上更容易处理。

研究人员把粒子高能散射中的这种“超软”行为，作为他们的起始假设之一。研究人员并没有预先假设弦的存在，而是只把这样一个条件作为出发点：在高能下，粒子发生散射的概率会降低。而这一点，正是驯服量子引力理论中那些棘手的无穷大发散所需要的。

此外，他们还提出了另一个关于粒子散射行为的假设，称为“极小零点”；这个假设更加复杂。理论一致性不仅要求散射振幅能够描述相互作用，也要求它们在某些被称为“零点”的特殊运动学点上不发生相互作用。这一假设要求，在方程数学上允许的范围内，这类使振幅为零的点数量要尽可能少。

从描述这两个假设的数学条件出发，研究人员最终得到了两种可能的散射振幅，分别称为Veneziano振幅和Virasoro-Shapiro振幅——而它们正是弦理论所预测的振幅。

并非最终证明

不过，这并不意味着弦理论就是正确的，因为这项工作还不能算作弦理论的实验证据。但从理论角度看，它非常具有启发性。

这种自举法有助于物理学家锁定弦理论的定义性特征，也有助于研究人员提出替代理论——如果弦理论并不正确，那么在寻找另一个模型时，需要去掉哪些基本假设？

这种研究方法颠覆了理论物理学通常的研究路径。通常情况下，物理学家会先写下某种优美的理论，思考某个深刻的想法，再去计算出某些也许能在实验中测量的东西。现在，这项工作恰恰把这个过程反了过来。

#参考来源：

https://www.caltech.edu/about/news/string-theory-emerges-from-almost-nothing

https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2026/may/string-theory-emerges-from--almost-nothing-.html?challenge=d06e90d7-4d8f-4b88-9d8c-10b73beb60f1

https://www.sciencenews.org/article/string-theory-assumptions-bootstrap

https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/cw4p-cqh7

#图片来源：

封面图&首图：AI-generated art by Clifford Cheung

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