2009年8月27日星期四

弦论:做游戏时请别当真


最近在班内的seminar交流活动中,我做了一个关于弦论的报告,其实是弦论中最基础的内容:关于Bosonic string的量子化。坦白地说,我不懂弦论。但这并不妨碍我在此处涂些口水。


弦论最早出现在20世纪60年代末。关于这个理论,人们最初的目的是解释强相互作用(一种将质子和中子牢牢绑在原子核里的相互作用)。在那个年代,强相互作用的古怪性质使得为其找到一种合适的理论异常困难。朗道大牛在1960的一篇文章中声称,“正确的(强相互作用)理论在今后百年之内不会被发现”。


然而历史的进程总不甘于平庸。数年之后,新发现的QCD理论(量子色动力学)即普遍被认为是正确的强作用理论,而弦论似乎也就成了废弃模型。但在70、80年代,弦论竟然卷土重来、东山再起,并且号称能够将引力量子化。


“将引力量子化”对理论物理学家而言是一件颇具魅惑力的工作。因为长期以来,人们相信量子力学是描写微观世界的正确理论。基于这种认识,如果你希望对一种理论寻根究底地拷问下去,你就得将它量子化。在强相互作用理论QCD提出之后,人们已知的四种相互作用中,电磁、弱作用、强作用皆有了合适的量子理论,唯独“万有引力”这种相互作用没有被驯服。


今天人们知道,引力与其他三种相互作用相比,显得极其特殊、匪夷所思。这很具有戏剧性,因为人类第一个关于相互作用的物理理论——牛顿力学,就描写了万有引力。然而,今天人们最不理解的相互作用,也是万有引力。这再次说明,历史不甘平庸。


对统一理论有兴趣的同学肯定听过不少这样的故事,因为这是科普作家的好题材。有鉴于此,我也不再继续讲下去。


从我们今天的认识看来,将引力量子化是一种纯粹的智力冒险。即使物理学家声称找到了正确的量子引力,也很难直接用实验检验它。原因很简单:引力表现出量子效应所需的能量比我们目前的机器所能够到的量级高出的10的十几次方。这只有黑洞中心附近,以及宇宙大爆炸之初的亿亿亿亿亿分之一秒内才能达到。所以较为悲观地预期,我以为正确而有意义的量子引力在可见的未来不会被找到。当然,作此判断本身更危险。朗道对强作用理论的预言就是很好的反例。所以,考虑到发明QCD的历史经验,我们可以加上一句:除非有天才的意外突破。


另一方面,善于忽悠的科普作家总喜欢将引力量子化的工作称作“相对论和量子论的统一”,并且高调鼓吹Theory of everything,颇有“东方教主,一统江湖”的味道,搞得人心潮澎湃,激动不已。当然,科普书需要畅销,需要煽动性。但这也就意味着,我们对它不能太当真。


事实上,我以为任何对统一理论的期待都是危险的。我们可以严肃地问:大自然的终极理论是否存在?是否能被我们人类找到?但是我们却不能轻易对此作答。任何从纯粹思辨哲学方面的论证,尽管可以充满技巧、充满智慧,但是漏洞总是难以避免。


这里似乎存在悖论:对于这种关于理论为人所认识的可能性问题的回答,必须借助经验。但是经验永远无法告诉我们,一个摆在我们面前的理论是否能算是终极。所以终极理论似乎是一个伪概念。


不平庸的历史提供了许多终极理论之梦破产的案例。例如大家都知道的19世纪物理学家对已然掌握终极理论的信心,此处不再多说。当然,20世纪之后也不是没有类似的例子。比如,量子场论。历史上,曾经有人试图将它理解成为狭义相对论和量子力学的自然组合,相信这样的组合可以导致一个封闭自洽、逻辑完整的体系,一如牛顿力学。但是到今天,这种信念已然过时。我宁可相信场论是一个方法论,而不是一个描述自然的终极理论。我们千万不要相信大自然中真的存在那些如奇妙的费曼图所描绘的物理过程:它们只是有效的方法。更大胆的推测是:弦论也是如此——它只是一种方法。当然,在目前看来这样推测的意义不大。


试图建立体系的时代已经过去。在当下,我相信我们的神经已经强大到了足以承受取消中心的事实。物理学家们何不更后现代一些?


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