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    抛开量子场论的胜利不谈,量子论在物理界的几乎每一个角落都激起激动人心的浪花,引发一连串美丽的涟漪。它深入固体物理之中,使我们对于固体机械和热性质的认识产生了翻天覆地的变化,更打开了通向凝聚态物理这一崭新世界的大门。在它的指引下,我们才真正认识了电流的传导,使得对于半导体的研究成为可能,而最终带领我们走向微电子学的建立。它驾临分子物理领域,成功地解释了化学键和轨道杂化,从而开创了量子化学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识,都建立在这个基础之上。而材料科学在插上了量子论的双翼之后,才真正展翅飞翔起来,开始深刻地影响社会的方方面面。在量子论的指引之下,我们认识了超导和超流,我们掌握了激光技术,我们造出了晶体管和集成电路,为一整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部那最为精细的奥秘,我们不但更加深刻地理解了电子和原子核之间的作用和关系,还进一步拆开原子核,领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。在浩瀚的星空之中,我们必须借助量子论才能把握恒星的命运会何去何从:当它们的燃料耗尽之后,它们会不可避免地向内坍缩,这时支撑起它们最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够抵挡坍缩时,恒星就演化为白矮星。要是电子被征服,而要靠中子出来抵抗时,恒星就变为中子星。最后,如果一切防线都被突破,那么它就不可避免地坍缩成一个黑洞。但即使黑洞也不是完全“黑”的,如果充分考虑量子不确定因素的影响,黑洞其实也会产生辐射而逐渐消失,这就是以其鼎鼎大名的发现者史蒂芬?霍金而命名的“霍金蒸发”过程。

    当物质落入黑洞的时候,它所包含的信息被完全吞噬了。因为按照定义,没什么能再从黑洞中逃出来,所以这些信息其实是永久地丧失了。这样一来,我们的决定论再一次遭到毁灭性的打击:现在,即使是预测概率的薛定谔波函数本身,我们都无法确定地预测!因为宇宙波函数需要掌握所有物质的信息,而这些信息却不断地被黑洞所吞没。霍金对此说了一句同样有名的话:“上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”这个看不见的地方就是黑洞奇点。不过由于蒸发过程的发现,黑洞是否在蒸发后又把这些信息重新“吐”出来呢?在这点上人们依旧争论不休,它关系到我们的宇宙和骰子之间那深刻的内在关系。

    最后,很有可能,我们对于宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生了什么?是否存在奇点?在奇点处物理定律是否失效?因为在宇宙极早期,引力场是如此之强,以致量子效应不能忽略,我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费因曼的路径积分手段之后,哈特尔(就是提出DH的那个)和霍金提出了著名的“无边界假设”:宇宙的起点并没有一个明确的边界,时间并不是一条从一点开始的射线,相反,它是复数的!时间就像我们地球的表面,并没有一个地方可以称之为“起点”。为了更好地理解这些问题,我们迫切地需要全新的量子宇宙学,需要量子论和相对论进一步强强联手,在史话的后面我们还会讲到这个事情。

    量子论的出现彻底改变了世界的面貌,它比史上任何一种理论都生活在一个10维的空间里,但是有6个维度是紧紧蜷缩起来的,所以我们平时觉察不到它。想象一根水管,如果你从很远的地方看它,它细得就像一条线,只有1维的结构。但当真把它放大来看,你会发现它是有横截面的!这第2个维度被卷曲了起来,以致于粗看之下分辨不出。在超弦的图像里,我们的世界也是如此,有6个维度出于某种原因收缩得非常紧,以致粗看上去宇宙仅仅是4维的(3维空间加1维时间)。但如果把时空放大到所谓“普朗克空间”的尺度上(大约10^-33厘米),这时候我们会发现,原本当作是时空中一个“点”的东西,其实竟然是一个6维的“小球”!这6个卷曲的维度不停地扰动,从而造成了全部的量子不确定性!

    这次革命使得超弦声名大振,隐然成为众望所归的万能理论候选人。当然,也有少数物理学家仍然对此抱有怀疑态度,比如格拉肖,费因曼。霍金对此也不怎么热情。大家或许还记得我们在前面描述过,在阿斯派克特实验后,BBC的布朗和纽卡斯尔大学的戴维斯对几位量子论的专家做了专门访谈。现在,当超弦热在物理界方兴未艾之际,这两位仁兄也没有闲着,他们再次出马,邀请了9位在弦论和量子场论方面最杰出的专家到BBC做了访谈节目。这些记录后来同样被集合在一起,于1988年以《超弦:万能理论?》为名,由剑桥出版社出版。阅读这些记录可以发现,专家们虽然吵得不像量子论那样厉害,但其中的分歧仍是明显的。费因曼甚至以一种饱经沧桑的态度说,他年轻时注意到许多老人迂腐地抵制新思想(比如爱因斯坦抵制量子论),但当他自己也成为一个老人时,他竟然也身不由己地做起同样的事情,因为一些新思想确实古怪——比如弦论就是!

    人们自然而然地问,为什么有6个维度是蜷缩起来的?这6个维度有何不同之处?为什么不是5个或者8个维度蜷缩?这种蜷缩的拓扑性质是怎样的?有没有办法证明它?因为弦的尺度是如此之小(普朗克空间),所以人们缺乏必要的技术手段用实验去直接认识它,而且弦论的计算是如此繁难,不用说解方程,就连方程本身我们都无法确定,而只有采用近似法!更糟糕的是,当第一次革命过去后,人们虽然大浪淘沙,筛除掉了大量的可能的对称,却仍有5种超弦理论被保留了下来,每一种理论都采用10维时空,也都能自圆其说。这5种理论究竟哪一种才是正确的?人们一鼓作气冲到这里,却发现自己被困住了。弦论的热潮很快消退,许多人又回到自己的本职领域中去,第一次革命尘埃落定。

    一直要到90年代中期,超弦才再次从沉睡中苏醒过来,完成一次绝地反攻。这次唤醒它的是爱德华?威顿。在1995年南加州大学召开的超弦年会上,威顿让所有的人都吃惊不小,他证明了,不同耦合常数的弦论在本质上其实是相同的!我们只能用微扰法处理弱耦合的理论,也就是说,耦合常数很小,在这样的情况下5种弦论看起来相当不同。但是,假如我们逐渐放大耦合常数,它们应当是一个大理论的5个不同的变种!特别是,当耦合常数被放大时,出现了一个新的维度——第11维!这就像一张纸只有2维,但你把许多纸叠在一起,就出现了一个新的维度——高度!

    换句话说,存在着一个更为基本的理论,现有的5种超弦理论都是它在不同情况的极限,它们是互相包容的!这就像那个著名的寓言——盲人摸象。有人摸到鼻子,有人摸到耳朵,有人摸到尾巴,虽然这些人的感觉非常不同,但他们摸到的却是同一头象——只不过每个人都摸到了一部分而已!格林(Brian

    Greene)在1999年的《优雅的宇宙》中举了一个相当搞笑的例子,我们把它发挥一下:想象一个热带雨林中的土著喜欢水,却从未见过冰,与此相反,一个爱斯基摩人喜欢冰,但因为他生活的地方太寒冷,从未见过液态的水的样子(无疑现实中的爱斯基摩人见过水,但我们可以进一步想象他生活在土星的光环上,那就不错了),两人某天在沙漠中见面,为各自的爱好吵得不可开交。但奇妙的事情发生了:在沙漠炎热的白天,爱斯基摩人的冰融化成了水!而在寒冷的夜晚,水又重新冻结成了冰!两人终于意识到,原来他们喜欢的其实是同一样东西,只不过在不同的条件下形态不同罢了。

    这样一来,5种超弦就都被包容在一个统一的图像中,物理学家们终于可以松一口气。这个统一的理论被称为“M理论”。就像没人知道为啥007电影中的那个博士发明家叫做“Q”(扮演他的老演员于1999年车祸去世了,在此纪念一下),也没人知道这个“M”确切代表什么意思,或许发明者的本意是指“母亲”(Mother),说明它是5种超弦的母理论,但也有人认为是“神秘”(Mystery),或者“矩阵”(Matrix),或者“膜”(Membrane)。有些中国人喜欢称其为“摸论”,意指“盲人摸象”!

    在M理论中,时空变成了11维,由此可以衍生出所有5种10维的超弦论来。事实上,由于多了一维,我们另有一个超引力的变种,因此一共是6个衍生品!这时候我们再考察时空的基本结构,会发现它并非只能是1维的弦,而同样可能是0维的点,2维的膜,或者3维的泡泡,或者4维的……我想不出4维的名头。实际上,这个基本结构可能是任意维数的——从0维一直到9维都有可能!M理论的古怪,比起超弦还要有过之而无不及。

    不管超弦还是M理论,它们都刚刚起步,还有更长的路要走。虽然异常复杂,但是超弦/M理论仍然取得了一定的成功,甚至它得以解释黑洞熵的问题——1996年,施特罗明格(Strominger)和瓦法(Vafa)的论文为此开辟了道路。在那之前不久的一次讲演中,霍金还挖苦说:“弦理论迄今为止的表现相当悲惨:它甚至不能描述太阳结构,更不用说黑洞了。”不过他最终还是改变了看法而加入弦论的潮流中来。M理论是“第二次超弦革命”的一部分,如今这次革命的硝烟也已经散尽,超弦又进入一个蛰伏期。PBS后来在格林的书的基础上做了有关超弦的电视节目,在公众中引起了相当的热潮。或许不久就会有第三次第四次超弦革命,从而最终完成物理学的统一,我们谁也无法预见。

    值得注意的是,自弦论以来,我们开始注意到,似乎量子论的结构才是更为基本的。以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架,然后在细节上做量子论的修正,这可以称为“自大而小”的方法。但在弦论里,必须首先引进量子论,然后才导出大尺度上的时空结构!人们开始认识到,也许“自小而大”才是根本的解释宇宙的方法。如今大多数弦论家都认为,量子论在其中扮演了关键的角色,量子结构不用被改正。而广义相对论的路子却很可能是错误的,虽然它的几何结构极为美妙,但只能委屈它退到推论的地位——而不是基本的基础假设!许多人相信,<samp></samp>只有更进一步地依赖量子的力量,超弦才会有一个比较光明的未来。我们的量子虽然是那样的古怪,但神赋予它无与伦比的力量,将整个宇宙都控制在它的光辉之下。

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