沈驪天

當(dāng)英國著名科學(xué)家霍金的《時間簡史》在世界發(fā)行達數(shù)百萬冊之后，美國科學(xué)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(shù)學(xué)、非專業(yè)的語言和深入淺出的生動描述，向廣大非專業(yè)公眾敞開了科學(xué)迷宮的大門；雖然先后于1992年2月、2002年1月由湖南科學(xué)技術(shù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(tǒng)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(xué)技術(shù)最前沿的信息給予多一些的關(guān)注與激情呢？

格林的《宇宙的琴弦》，本身就是一曲科學(xué)與人文和諧相融的樂章。它引導(dǎo)著讀者跟隨科學(xué)探索者的足跡，不僅一同領(lǐng)略科學(xué)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(jì)物理學(xué)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(xué)的挑戰(zhàn)，到愛因斯坦與經(jīng)典物理學(xué)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(jì)科學(xué)技術(shù)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(dāng)代科學(xué)認(rèn)識的掌握之中；而技術(shù)的力量，更使人類變得無所不能。

二十世紀(jì)物理學(xué)的一個重要標(biāo)志性成果，就是把自然界物質(zhì)最基本的組成物（宇宙物質(zhì)基元，即“宇宙磚塊”以及黏結(jié)磚塊的媒介粒子），歸結(jié)為36種夸克、12種輕子、13種媒介粒子。它們已經(jīng)成為當(dāng)今時代所認(rèn)識的61種新的“基本粒子”（其中由夸克所組成的質(zhì)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(jì)初物理學(xué)革命后所建立的量子規(guī)律（基本粒子遵循的量子規(guī)律稱為量子場論）。這一規(guī)律的特征是粒子在空間中的位置、運動狀態(tài)不是確定的，而是呈概率分布的；粒子的能量等運動性質(zhì)不是連續(xù)的，而是呈不連續(xù)的量子態(tài)。二十世紀(jì)物理學(xué)又一重要標(biāo)志性成果廣義相對論，將物質(zhì)、運動狀況決定時空性質(zhì)的規(guī)律，歸結(jié)為由物質(zhì)運動分布所決定的、用以聯(lián)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(biāo)關(guān)系的１６個度規(guī)分量（例如在２維平直空間中空間距離為空間坐標(biāo)平方和）。距二十世紀(jì)下半世紀(jì)轟轟烈烈的信息技術(shù)革命之后，在二十世紀(jì)末，二十一世紀(jì)初之際，二十世紀(jì)物理學(xué)在技術(shù)領(lǐng)域又重現(xiàn)雄風(fēng)，推出了以一個一個排列原子的手段實現(xiàn)人類多種目標(biāo)的納米技術(shù)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(xué)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(xiàn)狀、維護傳統(tǒng)、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(xué)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(jì)物理學(xué)大廈的“裂縫”，存在于10－33ｃｍ的微小尺度（稱為普朗克尺度）以內(nèi)，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(nèi)；用“吹毛求疵”來形容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)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(jì)物理學(xué)實際存在的內(nèi)在矛盾——它的兩大支柱在一個極其微小的空間范圍中發(fā)生著沖突、互不相容。對此，弦理論家們認(rèn)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(xué)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(fā)起下，一種嶄新的，卻又仿佛復(fù)歸于古代先哲的思想產(chǎn)生了，這就是宇宙歸一的思想。面對于復(fù)雜多樣的宇宙、無數(shù)當(dāng)代科學(xué)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(jì)物理學(xué)大廈，弦理論家們提出：

宇宙基本的物質(zhì)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(xì)的，仍然是三維的；前者則是沒有粗細(xì)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(tǒng)一的弦振動的規(guī)律；弦的不同振動模式?jīng)Q定了基本粒子的質(zhì)量、電荷等物理性質(zhì)。無數(shù)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”?，F(xiàn)有物理學(xué)所認(rèn)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(xiàn)有的儀器和測試手段面前它們表現(xiàn)得像一個點。

把宇宙歸于一種最簡單的物質(zhì)要素；并通過此種物質(zhì)要素的不同運動方式，展開著宇宙的復(fù)雜性。這是弦理論最卓越的思想。猶如中國古代學(xué)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(zhì)，難道都是最根本的嗎？它們?yōu)槭裁床皇歉嗷蚋俚姆N類？為什么恰好具有那些性質(zhì)？為什么恰好能夠使自然界產(chǎn)生生命，產(chǎn)生足以去認(rèn)識、理解自然規(guī)律的智慧生命？一些無法解釋困惑的科學(xué)便提出了所謂的“人擇原理”（霍金，《時間簡史》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1992年2月版，P116～117。）——既然我們?nèi)祟愒谶@里存在，宇宙的性質(zhì)、規(guī)律當(dāng)然只能是使人類能夠產(chǎn)生?！叭藫瘛逼鋵嵤且蚬怪玫恼f法，是無可奈何的解釋。弦理論家探索的目標(biāo)，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(guī)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(shù)的弦所組成的復(fù)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(chǎn)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(dāng)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(jù)弦理論的研究，為了使弦能夠“彈”出符合現(xiàn)有物理學(xué)所認(rèn)識的基本粒子性質(zhì)，一維的弦應(yīng)當(dāng)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(nèi)；而且，卷縮的空間維的形態(tài)必須是一種極為復(fù)雜的、被稱為卡拉比－邱成桐空間（簡稱卡－邱空間）的空間形態(tài)——這種空間的復(fù)雜性，使得關(guān)于它的有些數(shù)學(xué)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(fù)雜得不可思議的卡－丘空間、浩繁驚人的數(shù)學(xué)計算……姑且不論這些遠(yuǎn)離人們?nèi)粘＝?jīng)驗的假定或推論是否有充分根據(jù)，這些東西所添加的使人望而生畏的復(fù)雜性，作為追求簡單性的代價，是否太大了？猶如當(dāng)人們準(zhǔn)備研究宇宙之琴的一根弦時，卻發(fā)現(xiàn)這根弦又要專門用一架機器去推動，這架機器的復(fù)雜程度，甚至可以和“宇宙之琴”的復(fù)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(guī)律的統(tǒng)一性，卻產(chǎn)生了更多的新的復(fù)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(fēng)險?！耙簧膴^斗可能只換來飄忽不定的結(jié)果”；但他們“甘愿為它冒很大的風(fēng)險！”（P219～220）當(dāng)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(fù)雜性的代價是否確屬必要？是否可以設(shè)法減少因過分偏執(zhí)于數(shù)學(xué)完美而增大的風(fēng)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(lián)系的一系列預(yù)言——超引力子的存在與被發(fā)現(xiàn)；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(shù)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(fā)現(xiàn)；帶奇異分?jǐn)?shù)電荷的粒子的存在與被發(fā)現(xiàn)（即所帶電荷量不同于現(xiàn)有一切粒子、基本粒子的新粒子）；不同夸克之間的轉(zhuǎn)變與衰變現(xiàn)象的存在與被發(fā)現(xiàn)；引力、電磁力之外的新的長程力的存在與被發(fā)現(xiàn)；宇觀尺度的“弦”直接被天文觀測所發(fā)現(xiàn)等——是否會出現(xiàn)？何時出現(xiàn)？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(jīng)有過類似的處境；愛因斯坦也曾經(jīng)作過當(dāng)無法得到實證支持便放棄他的理論的思想準(zhǔn)備。

所以，科學(xué)探索是不能以成敗論英雄的。即使原定目標(biāo)基本失敗的科學(xué)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(biāo)的失敗并不意味著沒有其他新的發(fā)現(xiàn)，所達到的結(jié)果并非原定的目標(biāo)是常見的事。

無論弦理論預(yù)定的目標(biāo)能否實現(xiàn)，但它所發(fā)起的對二十世紀(jì)物理學(xué)思想、觀念的全面挑戰(zhàn)，其深遠(yuǎn)影響是難以估量的。弦理論的核心思想中的重要見解是認(rèn)為物質(zhì)運動乃至?xí)r間、空間都沒有任何作為科學(xué)研究先決前提的特定性質(zhì)。弦理論破除了把質(zhì)量、電荷、基本粒子的種類性質(zhì)、空間、時間當(dāng)作既定事實的觀念，認(rèn)為宇宙的一切屬性都是由物質(zhì)基元——弦——的振動所展開。因而，宇宙的樂章的豐富多樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的想象，沒有什么日常經(jīng)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(xiàn)有物理學(xué)所認(rèn)識的基本粒子種類、性質(zhì)不同的基本粒子也是可能出現(xiàn)的。弦理論認(rèn)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(zhì)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(rèn)為時空本身也是由弦的運動“編織”而形成，最基本的物質(zhì)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(zhì)基元）。如此，現(xiàn)有的量子力學(xué)、相對論都必須重建；因為它們理論體系的構(gòu)建，全都以時間、空間作為預(yù)先存在的框架。

從上所述，已經(jīng)可以充分看出，弦理論對現(xiàn)有物理學(xué)的震撼遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了二十世紀(jì)初物理學(xué)革命對經(jīng)典物理學(xué)的震撼。后者成功建立了得到實證檢驗的二十世紀(jì)物理學(xué)理論體系（作為目標(biāo)的基本實現(xiàn)，盡管其中還存在“細(xì)微的裂縫”）；前者的目標(biāo)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(jì)科學(xué)革命，卻是毫無疑義的。

沒有什么像弦理論探索那樣，在科學(xué)最基礎(chǔ)的領(lǐng)域中如此猛烈地沖擊傳統(tǒng)，如此大膽地猜想、假定、創(chuàng)新。人們要沖破二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)革命的高度，向著新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)革命新的高度進行新的起飛，沖擊傳統(tǒng)大膽創(chuàng)新的精神是最為難能可貴的。弦理論探索嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评矸椒ǎò▏?yán)密的數(shù)學(xué)方法）和等待實證檢驗的科學(xué)理性態(tài)度，則使它嚴(yán)格區(qū)別于一切反科學(xué)理性的思潮，使它成為當(dāng)今物理學(xué)界矚目的重要科學(xué)潮流。

對于弦理論這一新世紀(jì)科學(xué)的重要方向，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)持熱情與冷靜相結(jié)合的態(tài)度。

弦理論今天畢竟還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是成熟形態(tài)的理論，它基本上還處于假說的形態(tài)。雖然人們不應(yīng)當(dāng)因此而輕視它，但也不應(yīng)當(dāng)過早地向它投入無保留的支持和贊同，更不應(yīng)當(dāng)把弦理論的所有結(jié)論當(dāng)作新的“經(jīng)典”，使它成為新世紀(jì)科學(xué)革命中新的“傳統(tǒng)”障礙。

筆者認(rèn)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(tǒng)的探索精神，嚴(yán)謹(jǐn)求實的理性精神，而不在于其目前所設(shè)計的“宇宙樂章的樂譜”。

或許人們永遠(yuǎn)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(xué)技術(shù)出版社2002年出版，26.00元）