宇宙樂章的破解

沈驪天

當英國著名科學家霍金的《時間簡史》在世界發行達數百萬冊之后，美國科學家格林的《精致的宇宙》（中譯本書名為《宇宙的琴弦》）又在公眾中激起了新的轟動。

雖然霍金與格林的書全都采用了非數學、非專業的語言和深入淺出的生動描述，向廣大非專業公眾敞開了科學迷宮的大門；雖然先后于1992年2月、2002年1月由湖南科學技術出版社出版的這兩本書的中譯本也吸引了不少熱心的讀者，但這兩本書在中國卻遠遠沒有達到國外那種轟動的效果。不同的文化背景對一本著作、一種思想的反響程度是不同的。然而，從中是否也可以反思一下中國傳統文化重人文輕科技的短處呢？人們是否也可以嘗試著對于科學技術最前沿的信息給予多一些的關注與激情呢？

格林的《宇宙的琴弦》，本身就是一曲科學與人文和諧相融的樂章。它引導著讀者跟隨科學探索者的足跡，不僅一同領略科學新大陸的勝境，而且一同分享著探險家的甘苦與喜悅。

一、二十世紀物理學大廈的裂縫——弦理論的提出

仰望蒼穹，俯視微觀世界，無窮的奧秘困擾著求知的人類。從屈原的“天問”，到亞里士多德的“百科全書”；從哥白尼向神學的挑戰，到愛因斯坦與經典物理學的決裂；從粗重的蒸汽機活塞最初的推動，到計算機億萬電路中脈沖信號的奔流跳躍，二十世紀科學技術的成就，似乎不無理由地令人類躊躇滿志。自然界的一切，幾乎盡在當代科學認識的掌握之中；而技術的力量，更使人類變得無所不能。

二十世紀物理學的一個重要標志性成果，就是把自然界物質最基本的組成物（宇宙物質基元，即“宇宙磚塊”以及黏結磚塊的媒介粒子），歸結為36種夸克、12種輕子、13種媒介粒子。它們已經成為當今時代所認識的61種新的“基本粒子”（其中由夸克所組成的質子、中子和輕子中的電子，又是各種原子的基本成分）。所有“基本粒子”的運動，仍然遵循著二十世紀初物理學革命后所建立的量子規律（基本粒子遵循的量子規律稱為量子場論）。這一規律的特征是粒子在空間中的位置、運動狀態不是確定的，而是呈概率分布的；粒子的能量等運動性質不是連續的，而是呈不連續的量子態。二十世紀物理學又一重要標志性成果廣義相對論，將物質、運動狀況決定時空性質的規律，歸結為由物質運動分布所決定的、用以聯系時空間距（指空間距離與時間距離相綜合的距離）與４維時空坐標關系的１６個度規分量（例如在２維平直空間中空間距離為空間坐標平方和）。距二十世紀下半世紀轟轟烈烈的信息技術革命之后，在二十世紀末，二十一世紀初之際，二十世紀物理學在技術領域又重現雄風，推出了以一個一個排列原子的手段實現人類多種目標的納米技術革命——其輝煌的前景，足以使人類的一切夢想成真。

“天衣無縫”從來就不是歷史上任何一座科學大廈的驕傲；追求“終極真理”在任何時代都是徒勞的。然而，就連這句話也不是絕對真理，因為它也可以成為人們安于現狀、維護傳統、反對探索的借口。而弦理論的探索者，則正是熱衷于尋找科學大廈裂縫，并熱心于追逐完美無缺的“終理論論”的人們。

弦理論家們找到的二十世紀物理學大廈的“裂縫”，存在于10－33ｃｍ的微小尺度（稱為普朗克尺度）以內，也就是比納米尺度（原子大小的尺度）小百億億億倍的不可思議的微小空間范圍以內；用“吹毛求疵”來形容已經遠遠不夠了。然而，在小于普朗克尺度的空間范圍同時運用廣義相對論和量子場論，將引起廣義相對論理論不能允許的、破壞空間光滑性的、充滿著無數微小波浪起伏的泡沫空間，將引起在物理上無法消除的無限大，卻不僅是弦理論家們的意見，而是二十世紀物理學實際存在的內在矛盾——它的兩大支柱在一個極其微小的空間范圍中發生著沖突、互不相容。對此，弦理論家們認為修修補補完全無濟于事；他們打算另起爐灶，重建一座完美無缺的新的物理學大廈。

二、弦理論的核心思想——宇宙歸一為弦

在弦理論探索的發起下，一種嶄新的，卻又仿佛復歸于古代先哲的思想產生了，這就是宇宙歸一的思想。面對于復雜多樣的宇宙、無數當代科學的難解之謎和因兩大支柱的相互斷裂而無法“封頂”的二十世紀物理學大廈，弦理論家們提出：

宇宙基本的物質組成要素是一維的弦（弦理論中一維的弦完全不同于日常生活中的琴弦，后者實際上是具有粗細的，仍然是三維的；前者則是沒有粗細的）。這種弦是最基本的，它不可能再由其他什么東西組成。宇宙中所有的弦都是完全相同的。弦的運動遵循統一的弦振動的規律；弦的不同振動模式決定了基本粒子的質量、電荷等物理性質。無數相同的弦以各自不同的振動方式，合奏出了有著無限多樣性的“宇宙的樂章”。現有物理學所認識的基本粒子，其實都是由閉合的弦形成的小圈圈。這些小圈圈一般都是普朗克尺度，由于這個尺度太微小了，所以在現有的儀器和測試手段面前它們表現得像一個點。

把宇宙歸于一種最簡單的物質要素；并通過此種物質要素的不同運動方式，展開著宇宙的復雜性。這是弦理論最卓越的思想。猶如中國古代學者將萬物歸于“元氣”，再由元氣的運動變化展開萬物。

48種磚塊粒子、13種媒介粒子、以及其各自不同的性質，難道都是最根本的嗎？它們為什么不是更多或更少的種類？為什么恰好具有那些性質？為什么恰好能夠使自然界產生生命，產生足以去認識、理解自然規律的智慧生命？一些無法解釋困惑的科學便提出了所謂的“人擇原理”（霍金，《時間簡史》，湖南科學技術出版社，1992年2月版，P116～117。）——既然我們人類在這里存在，宇宙的性質、規律當然只能是使人類能夠產生。“人擇”其實是因果倒置的說法，是無可奈何的解釋。弦理論家探索的目標，則是要從弦的振動模式中，找到一切“選擇”的最終原因；或者說，要從研究一根弦的最簡單的振動規律入手，去破解宇宙那雄壯宏偉的樂章。

如果宇宙是一架由無數的弦所組成的復雜、精致的琴，琴所奏出的樂曲，的的確確是由每一根弦振動產生的聲音組成，那么“宇宙之琴”的全部秘密，就隱藏在每一根小小的弦中。然而，當弦理論家像上面所說的那樣，打算從一根簡單的弦的振動中求解宇宙樂章的奧秘時，卻為此付出了沉重的代價：

根據弦理論的研究，為了使弦能夠“彈”出符合現有物理學所認識的基本粒子性質，一維的弦應當存在于一個超三維空間之中，超過三維的其余六維（或七維）空間卷縮在小于普朗克尺度的極微小范圍內；而且，卷縮的空間維的形態必須是一種極為復雜的、被稱為卡拉比－邱成桐空間（簡稱卡－邱空間）的空間形態——這種空間的復雜性，使得關于它的有些數學計算，用“全世界最快的計算機，也需要一百多年才能完成”（P261）。

超過三維的空間維，在極微小尺度范圍的空間維，復雜得不可思議的卡－丘空間、浩繁驚人的數學計算……姑且不論這些遠離人們日常經驗的假定或推論是否有充分根據，這些東西所添加的使人望而生畏的復雜性，作為追求簡單性的代價，是否太大了？猶如當人們準備研究宇宙之琴的一根弦時，卻發現這根弦又要專門用一架機器去推動，這架機器的復雜程度，甚至可以和“宇宙之琴”的復雜程度相比。

弦理論為追求宇宙基本要素的簡單性和運動規律的統一性，卻產生了更多的新的復雜性；這難免引起人們對弦理論信心的動搖。就連弦理論的探索者們也意識到其中所包含的風險。“一生的奮斗可能只換來飄忽不定的結果”；但他們“甘愿為它冒很大的風險！”（P219～220）當然，人們也有理由提醒弦理論探索者：為了尋求簡單性而付出更多復雜性的代價是否確屬必要？是否可以設法減少因過分偏執于數學完美而增大的風險？

三、弦理論探索的價值

今天，沒有人知道弦理論探索的前景是基本成功、部分成功，還是基本失敗。弦理論用以同實驗檢驗相聯系的一系列預言——超引力子的存在與被發現；基本粒子超伙伴粒子（指與超對稱性相連系的、自旋相差半整數的伙伴粒子）如超夸克、超中微子、光微子、Ｗ微子、Ｚ微子的存在與被發現；帶奇異分數電荷的粒子的存在與被發現（即所帶電荷量不同于現有一切粒子、基本粒子的新粒子）；不同夸克之間的轉變與衰變現象的存在與被發現；引力、電磁力之外的新的長程力的存在與被發現；宇觀尺度的“弦”直接被天文觀測所發現等——是否會出現？何時出現？至今還看不到絲毫的跡象和希望。然而，廣義相對論在三大驗證事實獲得之前也曾經有過類似的處境；愛因斯坦也曾經作過當無法得到實證支持便放棄他的理論的思想準備。

所以，科學探索是不能以成敗論英雄的。即使原定目標基本失敗的科學探索，它的思路，它的探索過程、方法，都將成為沿不同途徑探索者的寶貴財富；更何況，原定目標的失敗并不意味著沒有其他新的發現，所達到的結果并非原定的目標是常見的事。

無論弦理論預定的目標能否實現，但它所發起的對二十世紀物理學思想、觀念的全面挑戰，其深遠影響是難以估量的。弦理論的核心思想中的重要見解是認為物質運動乃至時間、空間都沒有任何作為科學研究先決前提的特定性質。弦理論破除了把質量、電荷、基本粒子的種類性質、空間、時間當作既定事實的觀念，認為宇宙的一切屬性都是由物質基元——弦——的振動所展開。因而，宇宙的樂章的豐富多樣遠遠超過人們的想象，沒有什么日常經驗的事實是不變的，沒有哪一種事情是不可能的。因為弦振動模式的不同以及振動著的弦的不同組合，所以，與我們現有物理學所認識的基本粒子種類、性質不同的基本粒子也是可能出現的。弦理論認為：可能存在著“多重宇宙”，其中有的與我們所熟悉的宇宙性質完全不同；黑洞，則可能就是連接不同宇宙的進出口(P354）。

弦理論甚至認為時空本身也是由弦的運動“編織”而形成，最基本的物質基元是不具有時空維的“零膜”（P365?“零膜”是指比一維的弦還要少一維、并且沒有時間維的物質基元）。如此，現有的量子力學、相對論都必須重建；因為它們理論體系的構建，全都以時間、空間作為預先存在的框架。

從上所述，已經可以充分看出，弦理論對現有物理學的震撼遠遠超過了二十世紀初物理學革命對經典物理學的震撼。后者成功建立了得到實證檢驗的二十世紀物理學理論體系（作為目標的基本實現，盡管其中還存在“細微的裂縫”）；前者的目標則至今尚遙遙無期。然而，前者的震撼正在推動著氣勢恢宏的新世紀科學革命，卻是毫無疑義的。

沒有什么像弦理論探索那樣，在科學最基礎的領域中如此猛烈地沖擊傳統，如此大膽地猜想、假定、創新。人們要沖破二十世紀科學技術革命的高度，向著新世紀科學技術革命新的高度進行新的起飛，沖擊傳統大膽創新的精神是最為難能可貴的。弦理論探索嚴謹的邏輯推理方法（包括嚴密的數學方法）和等待實證檢驗的科學理性態度，則使它嚴格區別于一切反科學理性的思潮，使它成為當今物理學界矚目的重要科學潮流。

對于弦理論這一新世紀科學的重要方向，筆者認為應當持熱情與冷靜相結合的態度。

弦理論今天畢竟還遠遠不是成熟形態的理論，它基本上還處于假說的形態。雖然人們不應當因此而輕視它，但也不應當過早地向它投入無保留的支持和贊同，更不應當把弦理論的所有結論當作新的“經典”，使它成為新世紀科學革命中新的“傳統”障礙。

筆者認為：弦理論探索的主要價值在于其核心思想，在于其批判傳統的探索精神，嚴謹求實的理性精神，而不在于其目前所設計的“宇宙樂章的樂譜”。

或許人們永遠也無法解讀宇宙樂章的全部，然而人類破解宇宙樂章的追求，又何嘗不是一曲更加動人的樂章呢！

（《宇宙的琴弦》，[美]Ｂ·格林著，湖南科學技術出版社2002年出版，26.00元）