宇宙乐章的破解

沈骊天

当英国著名科学家霍金的《时间简史》在世界发行达数百万册之后，美国科学家格林的《精致的宇宙》（中译本书名为《宇宙的琴弦》）又在公众中激起了新的轰动。

虽然霍金与格林的书全都采用了非数学、非专业的语言和深入浅出的生动描述，向广大非专业公众敞开了科学迷宫的大门；虽然先后于1992年2月、2002年1月由湖南科学技术出版社出版的这两本书的中译本也吸引了不少热心的读者，但这两本书在中国却远远没有达到国外那种轰动的效果。不同的文化背景对一本著作、一种思想的反响程度是不同的。然而，从中是否也可以反思一下中国传统文化重人文轻科技的短处呢？人们是否也可以尝试着对于科学技术最前沿的信息给予多一些的关注与激情呢？

格林的《宇宙的琴弦》，本身就是一曲科学与人文和谐相融的乐章。它引导着读者跟随科学探索者的足迹，不仅一同领略科学新大陆的胜境，而且一同分享着探险家的甘苦与喜悦。

一、二十世纪物理学大厦的裂缝——弦理论的提出

仰望苍穹，俯视微观世界，无穷的奥秘困扰着求知的人类。从屈原的“天问”，到亚里士多德的“百科全书”；从哥白尼向神学的挑战，到爱因斯坦与经典物理学的决裂；从粗重的蒸汽机活塞最初的推动，到计算机亿万电路中脉冲信号的奔流跳跃，二十世纪科学技术的成就，似乎不无理由地令人类踌躇满志。自然界的一切，几乎尽在当代科学认识的掌握之中；而技术的力量，更使人类变得无所不能。

二十世纪物理学的一个重要标志性成果，就是把自然界物质最基本的组成物（宇宙物质基元，即“宇宙砖块”以及黏结砖块的媒介粒子），归结为36种夸克、12种轻子、13种媒介粒子。它们已经成为当今时代所认识的61种新的“基本粒子”（其中由夸克所组成的质子、中子和轻子中的电子，又是各种原子的基本成分）。所有“基本粒子”的运动，仍然遵循着二十世纪初物理学革命后所建立的量子规律（基本粒子遵循的量子规律称为量子场论）。这一规律的特征是粒子在空间中的位置、运动状态不是确定的，而是呈概率分布的；粒子的能量等运动性质不是连续的，而是呈不连续的量子态。二十世纪物理学又一重要标志性成果广义相对论，将物质、运动状况决定时空性质的规律，归结为由物质运动分布所决定的、用以联系时空间距（指空间距离与时间距离相综合的距离）与４维时空坐标关系的１６个度规分量（例如在２维平直空间中空间距离为空间坐标平方和）。距二十世纪下半世纪轰轰烈烈的信息技术革命之后，在二十世纪末，二十一世纪初之际，二十世纪物理学在技术领域又重现雄风，推出了以一个一个排列原子的手段实现人类多种目标的纳米技术革命——其辉煌的前景，足以使人类的一切梦想成真。

“天衣无缝”从来就不是历史上任何一座科学大厦的骄傲；追求“终极真理”在任何时代都是徒劳的。然而，就连这句话也不是绝对真理，因为它也可以成为人们安于现状、维护传统、反对探索的借口。而弦理论的探索者，则正是热衷于寻找科学大厦裂缝，并热心于追逐完美无缺的“终理论论”的人们。

弦理论家们找到的二十世纪物理学大厦的“裂缝”，存在于10－33ｃｍ的微小尺度（称为普朗克尺度）以内，也就是比纳米尺度（原子大小的尺度）小百亿亿亿倍的不可思议的微小空间范围以内；用“吹毛求疵”来形容已经远远不够了。然而，在小于普朗克尺度的空间范围同时运用广义相对论和量子场论，将引起广义相对论理论不能允许的、破坏空间光滑性的、充满着无数微小波浪起伏的泡沫空间，将引起在物理上无法消除的无限大，却不仅是弦理论家们的意见，而是二十世纪物理学实际存在的内在矛盾——它的两大支柱在一个极其微小的空间范围中发生着冲突、互不相容。对此，弦理论家们认为修修补补完全无济于事；他们打算另起炉灶，重建一座完美无缺的新的物理学大厦。

二、弦理论的核心思想——宇宙归一为弦

在弦理论探索的发起下，一种崭新的，却又仿佛复归于古代先哲的思想产生了，这就是宇宙归一的思想。面对于复杂多样的宇宙、无数当代科学的难解之谜和因两大支柱的相互断裂而无法“封顶”的二十世纪物理学大厦，弦理论家们提出：

宇宙基本的物质组成要素是一维的弦（弦理论中一维的弦完全不同于日常生活中的琴弦，后者实际上是具有粗细的，仍然是三维的；前者则是没有粗细的）。这种弦是最基本的，它不可能再由其他什么东西组成。宇宙中所有的弦都是完全相同的。弦的运动遵循统一的弦振动的规律；弦的不同振动模式决定了基本粒子的质量、电荷等物理性质。无数相同的弦以各自不同的振动方式，合奏出了有着无限多样性的“宇宙的乐章”。现有物理学所认识的基本粒子，其实都是由闭合的弦形成的小圈圈。这些小圈圈一般都是普朗克尺度，由于这个尺度太微小了，所以在现有的仪器和测试手段面前它们表现得像一个点。

把宇宙归于一种最简单的物质要素；并通过此种物质要素的不同运动方式，展开着宇宙的复杂性。这是弦理论最卓越的思想。犹如中国古代学者将万物归于“元气”，再由元气的运动变化展开万物。

48种砖块粒子、13种媒介粒子、以及其各自不同的性质，难道都是最根本的吗？它们为什么不是更多或更少的种类？为什么恰好具有那些性质？为什么恰好能够使自然界产生生命，产生足以去认识、理解自然规律的智慧生命？一些无法解释困惑的科学便提出了所谓的“人择原理”（霍金，《时间简史》，湖南科学技术出版社，1992年2月版，P116～117。）——既然我们人类在这里存在，宇宙的性质、规律当然只能是使人类能够产生。“人择”其实是因果倒置的说法，是无可奈何的解释。弦理论家探索的目标，则是要从弦的振动模式中，找到一切“选择”的最终原因；或者说，要从研究一根弦的最简单的振动规律入手，去破解宇宙那雄壮宏伟的乐章。

如果宇宙是一架由无数的弦所组成的复杂、精致的琴，琴所奏出的乐曲，的的确确是由每一根弦振动产生的声音组成，那么“宇宙之琴”的全部秘密，就隐藏在每一根小小的弦中。然而，当弦理论家像上面所说的那样，打算从一根简单的弦的振动中求解宇宙乐章的奥秘时，却为此付出了沉重的代价：

根据弦理论的研究，为了使弦能够“弹”出符合现有物理学所认识的基本粒子性质，一维的弦应当存在于一个超三维空间之中，超过三维的其余六维（或七维）空间卷缩在小于普朗克尺度的极微小范围内；而且，卷缩的空间维的形态必须是一种极为复杂的、被称为卡拉比－邱成桐空间（简称卡－邱空间）的空间形态——这种空间的复杂性，使得关于它的有些数学计算，用“全世界最快的计算机，也需要一百多年才能完成”（P261）。

超过三维的空间维，在极微小尺度范围的空间维，复杂得不可思议的卡－丘空间、浩繁惊人的数学计算……姑且不论这些远离人们日常经验的假定或推论是否有充分根据，这些东西所添加的使人望而生畏的复杂性，作为追求简单性的代价，是否太大了？犹如当人们准备研究宇宙之琴的一根弦时，却发现这根弦又要专门用一架机器去推动，这架机器的复杂程度，甚至可以和“宇宙之琴”的复杂程度相比。

弦理论为追求宇宙基本要素的简单性和运动规律的统一性，却产生了更多的新的复杂性；这难免引起人们对弦理论信心的动摇。就连弦理论的探索者们也意识到其中所包含的风险。“一生的奋斗可能只换来飘忽不定的结果”；但他们“甘愿为它冒很大的风险！”（P219～220）当然，人们也有理由提醒弦理论探索者：为了寻求简单性而付出更多复杂性的代价是否确属必要？是否可以设法减少因过分偏执于数学完美而增大的风险？

三、弦理论探索的价值

今天，没有人知道弦理论探索的前景是基本成功、部分成功，还是基本失败。弦理论用以同实验检验相联系的一系列预言——超引力子的存在与被发现；基本粒子超伙伴粒子（指与超对称性相连系的、自旋相差半整数的伙伴粒子）如超夸克、超中微子、光微子、Ｗ微子、Ｚ微子的存在与被发现；带奇异分数电荷的粒子的存在与被发现（即所带电荷量不同于现有一切粒子、基本粒子的新粒子）；不同夸克之间的转变与衰变现象的存在与被发现；引力、电磁力之外的新的长程力的存在与被发现；宇观尺度的“弦”直接被天文观测所发现等——是否会出现？何时出现？至今还看不到丝毫的迹象和希望。然而，广义相对论在三大验证事实获得之前也曾经有过类似的处境；爱因斯坦也曾经作过当无法得到实证支持便放弃他的理论的思想准备。

所以，科学探索是不能以成败论英雄的。即使原定目标基本失败的科学探索，它的思路，它的探索过程、方法，都将成为沿不同途径探索者的宝贵财富；更何况，原定目标的失败并不意味着没有其他新的发现，所达到的结果并非原定的目标是常见的事。

无论弦理论预定的目标能否实现，但它所发起的对二十世纪物理学思想、观念的全面挑战，其深远影响是难以估量的。弦理论的核心思想中的重要见解是认为物质运动乃至时间、空间都没有任何作为科学研究先决前提的特定性质。弦理论破除了把质量、电荷、基本粒子的种类性质、空间、时间当作既定事实的观念，认为宇宙的一切属性都是由物质基元——弦——的振动所展开。因而，宇宙的乐章的丰富多样远远超过人们的想象，没有什么日常经验的事实是不变的，没有哪一种事情是不可能的。因为弦振动模式的不同以及振动着的弦的不同组合，所以，与我们现有物理学所认识的基本粒子种类、性质不同的基本粒子也是可能出现的。弦理论认为：可能存在着“多重宇宙”，其中有的与我们所熟悉的宇宙性质完全不同；黑洞，则可能就是连接不同宇宙的进出口(P354）。

弦理论甚至认为时空本身也是由弦的运动“编织”而形成，最基本的物质基元是不具有时空维的“零膜”（P365?“零膜”是指比一维的弦还要少一维、并且没有时间维的物质基元）。如此，现有的量子力学、相对论都必须重建；因为它们理论体系的构建，全都以时间、空间作为预先存在的框架。

从上所述，已经可以充分看出，弦理论对现有物理学的震撼远远超过了二十世纪初物理学革命对经典物理学的震撼。后者成功建立了得到实证检验的二十世纪物理学理论体系（作为目标的基本实现，尽管其中还存在“细微的裂缝”）；前者的目标则至今尚遥遥无期。然而，前者的震撼正在推动着气势恢宏的新世纪科学革命，却是毫无疑义的。

没有什么像弦理论探索那样，在科学最基础的领域中如此猛烈地冲击传统，如此大胆地猜想、假定、创新。人们要冲破二十世纪科学技术革命的高度，向着新世纪科学技术革命新的高度进行新的起飞，冲击传统大胆创新的精神是最为难能可贵的。弦理论探索严谨的逻辑推理方法（包括严密的数学方法）和等待实证检验的科学理性态度，则使它严格区别于一切反科学理性的思潮，使它成为当今物理学界瞩目的重要科学潮流。

对于弦理论这一新世纪科学的重要方向，笔者认为应当持热情与冷静相结合的态度。

弦理论今天毕竟还远远不是成熟形态的理论，它基本上还处于假说的形态。虽然人们不应当因此而轻视它，但也不应当过早地向它投入无保留的支持和赞同，更不应当把弦理论的所有结论当作新的“经典”，使它成为新世纪科学革命中新的“传统”障碍。

笔者认为：弦理论探索的主要价值在于其核心思想，在于其批判传统的探索精神，严谨求实的理性精神，而不在于其目前所设计的“宇宙乐章的乐谱”。

或许人们永远也无法解读宇宙乐章的全部，然而人类破解宇宙乐章的追求，又何尝不是一曲更加动人的乐章呢！

（《宇宙的琴弦》，[美]Ｂ·格林著，湖南科学技术出版社2002年出版，26.00元）