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第十二章 新探险

一 1953年，年轻，但是多才多艺的物理学家穆雷•盖尔曼(Murray Gell-Mann)离开普林斯

顿，到芝加哥大学担任讲师。那时的芝加哥，仍然笼罩在恩里科•费米的光辉之下，自从这位 科学巨匠在1938年因为对于核物理理论的杰出贡献而拿到诺贝尔奖之后，已经过去了近16年。盖尔 曼也许不会想到，再过16年，相同的荣誉就会落在自己身上。

 虽然已是功成名就，但费米仍然抱着宽厚随和的态度，愿意和所有的人讨论科学问题。在核物 理迅猛发展的那个年代，量子论作为它的基础，已经被奉为神圣而不可侵犯的经典，但费米却总是 有着一肚子的怀疑，他不止一次地问盖尔曼：

 既然量子论是正确的，那么叠加性必然是一种普遍现象。可是，为什么火星有着一条确定的轨 道，而不是从轨道上向外散开去呢？

 自然，答案在哥本哈根派的锦囊中是唾手可得：火星之所以不散开去，是因为有人在 “观察”它， 或者说有人在看着它。每看一次，它的波函数就坍缩了。但无论费米还是盖尔曼，都觉得这个答案 太无聊和愚蠢，必定有一种更好的解释。

 可惜在费米的有生之年，他都没能得到更好的答案。他很快于1954年去世，而盖尔曼则于次年 又转投加州理工，在那里开创属于他的伟大事业。加州理工的好学生源源不断，哈特尔(James B Hartle)就是其中一个。60年代，他在盖尔曼的手下攻读博士学位，对量子宇宙学进行了充分的研究 和思考，有一个思想逐渐在他的脑海中成型。那个时候，费因曼的路径积分方法已经被创立了20多 年，而到了70年代，正如我们在史话的前面所提起过的那样，一种新的理论--退相干理论在Zurek 和Zeh等人的努力下也被建立起来了。进入80年代，埃弗莱特的多宇宙解释在物理学界死灰复燃，并 迅速引起了众人的兴趣……一切外部条件都逐渐成熟，等1984年，格里菲斯(Robert Griffiths)发 表了他的论文之后，退相干历史(简称DH)解释便正式瓜熟蒂落了。

 我们还记得埃弗莱特的MWI：宇宙在薛定谔方程的演化中被投影到多个 “世界”中去，在每个世界 中产生不同的结果。这样一来，在宇宙的发展史上，就逐渐产生越来越多的 “世界”。历史只有一个， 但世界有很多个！

 当哈特尔和盖尔曼读到格里菲斯关于 “历史”的论文之后，他们突然之间恍然大悟。他们开始叫 嚷：“不对！事实和埃弗莱特的假定正好相反：世界只有一个，但历史有很多个！ ”

提起 “历史”(History)这个词，我们脑海中首先联想到的恐怕就是诸如古埃及、巴比伦、希腊罗 马、唐宋元明清之类的概念。历史学是研究过去的学问。但在物理上，过去、现在、未来并不是分 得很清楚的，至少理论中没有什么特征可以让我们明确地区分这些状态。站在物理的角度谈 “历史”， 我们只把它定义成一个系统所经历的一段时间，以及它在这段时间内所经历的状态变化。比如我们 讨论封闭在一个盒子里的一堆粒子的 “历史”，则我们可以预计它们将按照热力学第二定律逐渐地扩散 开来，并最终达到最大的热辐射平衡状态为止。当然，也有可能在其中会形成一个黑洞并与剩下的 热辐射相平衡，由于量子涨落和霍金蒸发，系统很有可能将在这两个平衡态之间不停地摇摆，但不 管怎么样，对应于某一个特定的时刻，我们的系统将有一个特定的态，把它们连起来，就是我们所 说的这个系统的 “历史”。

 我们要时刻记住，在量子力学中一切都是离散而非连续的，所以当我们讨论 “一段时间 ”的时候， 我们所说的实际上是一个包含了所有时刻的集合，从t0，t1，t2，一直到tn。所以我们说的 “历史”， 实际上就是指，对应于时刻tk来说，系统有相应的态Ak。

 我们还是以广大人民群众喜闻乐见的比喻形式来说明问题。想象一支足球队参加某联赛，联赛 一共要进行n轮。那么，这支球队的 “历史”无非就是：对应于第k轮联赛(时刻k)，如果我们进行观测， 则得到这场比赛的结果Ak(Ak可以是1:0，2:1，3:3……等等)。如果完整地把这个球队的 “历史”写出 来，则大概是这个样子：

1:2， 2:3， 1:1， 4:1， 2:0， 0:0， 1:3…… 为了简便起见，我们现在仅仅考察一场比赛的情况。一场比赛所有可能的 “历史”的总数，理论 上说是无穷多的，当然在现实里，比分一般不会太高。如果比赛尚未进行，或者至少，我们尚不知 道其结果，那么对于每一种 “历史”我们就只能估计它发生的可能性。在实际中，即使是概率也经常很 难算准(尽管参考博彩公司的赔率或者浏览一些赌波网站或许能提供某些帮助，但它们有时候是相当 误导的)，但我们在此讨论的是理论问题，因此我们就假定通过计算，关于任何一种历史我们都能够 得到一个准确的概率。比方说，1:0获胜这样一种 “历史”发生的可能性是10%，1:2落败则有20%……等 等。

 说了这么多，这些有什么用呢？切莫心急，很快就见分晓。

 到现在为止，因为我们处理的都还是经典概率，所以它们是 “可加”的！也就是说，如果我们有 两种历史a和b，它们发生的概率分别是Pa和Pb，则 “a或者b ”发生的概率就是Pa＋Pb。拿我们的例子来 说，如果我们想问： “净胜2球的可能性是多少？ ”，那么它必然等于所有 “净胜两球 ”的历史概率的总 和，也就是P(2:0)＋P(3:1)＋P(4:2)＋…这看起来似乎是天经地义。

 但让我们回到量子论中来。稀奇的是，在量子论里，这样的加法并不总是能够实现！拿我们已 经讨论得口干舌燥的那个实验来说，如果“电子通过左缝 ”是一种历史， “电子通过右缝 ”是另一种历史， 那么“电子通过左缝或者通过右缝 ”的可能性是多少呢？我们必须把它放到所谓的 “密度矩阵 ”D中去计 算，把它们排列成表格！

 在这个表格中，呆在坐标(左，左)上的那个值就是 “通过左缝 ”这个历史的概率。呆在(右，右) 上的，则无疑是 “通过右缝 ”的概率。但等等，我们还有两个多余的东西，D(左，右)和D(右，左)！这 两个是什么东西？它们不是任何概率，而表明了 “左”和“右”两种历史之间的交叉干涉！要命的是，计 算结果往往显示这些干涉项不为0。

 换句话说， “通过左缝 ”和“通过右缝 ”这两种历史不是独立自主的，而是互相纠缠在一起，它们 之间有干涉项。当我们计算 “电子通过左缝或者通过右缝 ”这样一种情况的时候，我们得到的并非一个 传统的概率，干脆地说，这样一个 “联合历史 ”是没有概率的！这也就是为什么在双缝实验中，我们不 能说“电子要么通过左缝，要么通过右缝 ”的原因，它必定同时通过了双缝，因为这两种历史是 “相干” 的！

 回到我们的足球比喻，在一场 “量子联赛”中，所有可能的历史都是相干的，1:0这种历史和2:0 这种历史互相干涉，所以它们的概率没有可加性！也就是说，如果1:0的可能性是10%，2:0的可能性 是15%，那么 “1:0或者2:0 ”的可能性却不是25%，而是某种模糊的东西，它无法被赋予一个概率！

 这听上去可真不美妙，如果这些概率不能相加，那么赌球的人或者买足球彩票的人一定都不知 所措，没法合理地投入资金了。如果不能计算概率， 那我们还能做什么呢？但是且莫着急，因为奇 妙的事情马上就要发生了：虽然我们无法预测 “1:0或者2:0”的概率是多少，然而我们却的确可以预言 “胜或者平 ”的概率是多少！这都是因为 “退相干 ”机制的存在！

 魔术的秘密在这里：当我们不关心一场比赛的具体比分，而只关心其胜负关系的时候，我们实 际上忽略了许多信息。比如说，当我们讨论一种历史是 “胜，胜，平，负，胜，负…… ”，而不是具体 的比分的时候，我们实际上构建了一种 “粗略的 ”历史。在每一轮联赛中，我们观察到的态Ak都包含了 无数种更加精细的态。例如当我们说第二轮球队 “胜”的时候，其中包括了1:0，2:1，2:0，3:1……所 有可以归纳为 “胜”的具体赛果。在术语中，我们把每一种具体的可能比分称为 “精粒历 史”(fine-grained history)，而把类似 “胜”，“负”这样的历史称为 “粗粒历史 ”(coarse-grainedhistory)。

 再一次为了简便起见，我们仅仅考察一场比赛的情况。对于单单一场比赛来说，它的 “粗粒历 史”无非有3种：胜，平，负。如果 “胜”的可能性是30%， “平”的可能性是40%，那么 “非胜即平”，也就 是“不败”的可能性是多少呢？大家对我们上面的讨论还记忆犹新，可能会开始担忧，因为量子论或许 不能给出一个经典的概率来，但这次不同了！这一次，量子论给出了一个类似经典概率的答案： “不 败”的概率＝30＋40＝70%！

 这是为什么呢？原来，当我们计算 “胜”和“平”之间的关系时，我们实际上计算了所有包含在它 们之中的 “精粒历史 ”之间的关系！如果我们把 “胜”和“平”放到矩阵中去计算，我们的确也会得到干涉 项如(胜，平)，但这个干涉项是什么呢？它是所有组成两种粗粒历史的精粒历史的干涉之和！也就 是说，它包括了 “1:0和0:0之间的干涉 ”，“1:0和1:1之间的干涉 ”，“2:0和1:1之间的干涉 ”……等等。 总之，每一对可能的干涉都被计算在内了，我们惊奇地发现，所有这些干涉加在一起，正好抵消了 个干净。当最后的结果出来时， “胜”和“平”之间的干涉项即使没有完全消失，也已经变得小到足以忽 略不计。 “胜”和“平”两种粗粒历史不再相干，它们 “退相干”了！

 在量子力学中，我们具体可以采用所谓的 “路径积分 ”(path integral)的办法，构造出一个 “退 相干函数 ”来计算所有的这些历史。我们史话的前面已经略微提起过路径积分，它是鼎鼎有名的美国 物理学家费因曼在1942年发表的一种量子计算方法，费因曼本人后来也为此与人共同分享了1965年 的诺贝尔物理奖。路径积分是一种对于整个时间和空间求和的办法，当粒子从A地运动到B地，我们 把它的轨迹表达为所有可能的空间和所有可能的时间的叠加！我们只关心它的初始状态和最终状态， 而忽略它的中间状态，对于这些我们不关心的状态，我们就把它在每一种可能的路径上遍历求和， 精妙的是，最后这些路径往往会自相抵消掉。

 在量子足球场上发生的是同样的事情：我们只关心比赛的胜负结果，而不关心更加细微的事情 例如具体的比分。当我们忽略具体比分的时候，事实上就对于每一种可能的比分(历史)进行了遍历 求和。当所有的精粒历史被加遍了以后，它们之间的干涉往往会完全抵消，或者至少，几乎完全抵 消。这个时候，经典概率就又回到桌面上来，两个粗粒历史的概率又变得可加了，量子论终于又可 以管用了！我们也许分不清一场比赛究竟是1:0还是2:0，但我们无疑可以分清一场比赛究竟是赢了 还是平了！因为这两种历史之间不再相干！

 关键在于，我们必须构建起足够 “粗粒”的历史。这就像我传给你两张数字照片，分别是珍妮弗 •洛佩兹和珍妮弗•安妮斯顿的特写，然后问你，你觉得两人谁更漂亮。假如你把这些 照片放到最大最大，你看见的很可能只是一些颜色各异的色块，两张照片对你来说似乎也没什么大 的分别。只有把分辨率调得足够低或者你退开足够远的距离，把这些色块都模糊化，你才能看见整 个构图，从而有效地区分这两张照片的不同，进而作出比较。总之，只有当足够 “粗粒”的时候，两张 照片才能被区分开来，而我们的 “历史”也是如此！如果两个历史的 “颗粒太细 ”，以至于它们之间互相 干涉，我们就无法把它们区分开来，比如我们无法区分 “电子通过了左缝 ”和“电子通过了右缝 ”两种历 史，它们同时发生着！但如果历史的粒子够 “粗”，则我们便能够有效地分开两种历史，它们之间退相 干了！

 当我们观测了电子的行为，并得到最终结果后，我们实际上就构建了一种 “粗粒历史 ”。我们可 以把它归结成两种： “我们观测到粒子在左 ”以及“我们观测到粒子在右 ”。为什么说它们是粗粒历史 呢？因为我们忽略的东西实在太多了。我们现在只关心我们观测到电子在哪个位置，而不关心我们 站在实验室的哪个角落，今天吃了拉面还是汉堡还是寿司，更不关心当我们进行观测的时候，空气 中有多少灰尘沾在我们身上，窗户里射进了多少光子与我们发生了相互作用……从理论上讲，每一 种不同的情况都应该对应于一种特定的历史，比如 “吃了拉面的我们观察到电子在左 ”和“吃了汉堡的 我们观察到电子在左 ”其实是两种不同的历史。 “观察到电子在左并同时被1亿个光子打中 ”与“观察到 电子在左并同时被1亿零1个光子打中 ”也是两种不同的历史，但我们并不关心这些，而只是把它们简 并到“我们观察到电子在左 ”这个类别里去，因此我们实际上构建了一个非常粗粒的历史。

 现在，当我们计算 “我们观测到电子在左 ”和“我们观测到电子在右 ”两个历史之间的干涉时，实 际上就对太多的事情做了遍历求和。我们遍历了 “吃了汉堡的你 ”，“吃了寿司的你 ”，“吃了拉面的你 “……的不同命运。我们遍历了在这期间打到你身上的每一个光子，我们遍历了你和宇宙尽头的每一 个电子所发生的相互作用……如果说 “我们观测电子的位置 ”是一个系统，组成这个系统的有n个粒子， 在这其中，有m个粒子的状态实际上决定了我们到底观测到电子在左还是在右。那么，除去这m个粒 子之外，每一个粒子的命运都在计算中被加遍了。在时间上来说，除了实际观测的那一刻，每一个 时刻--不管过去还是未来--所有粒子的状态也都被加遍了。在所有这些计算都完成了之后，在每一 个方向上的干涉也就几乎相等了，它们将从结果中被抵消掉。最后， “我们观测到电子在左 ”和“我们 观测到电子在右 ”两个粗粒历史退相干了，它们之间不再互相联系，而我们只能感觉到其中的某一种！

 各位可能会觉得这听起来像一个魔幻故事，但这的确是最近非常流行的一种关于量子论的解 释！1984年格里菲斯为它开拓了道路，而很快到了1991年，哈特尔就开始对它进行扩充和完善。不 久盖尔曼和欧姆内斯(Roland Omnés)也加入到这一行列中来，这些杰出的物理学家很快把它变成了 一个洋洋洒洒的体系。我们还是有必要进一步地考察这个思想，从而对量子论的内涵获取更深的领 悟。

二

8附图: dh.jpg (10800 字节)

 按照退相干历史(DH)的解释，假如我们把宇宙的历史分得足够精细，那么实际上每时每刻都有 许许多多的精粒历史在 “同时发生 ”(相干)。比如没有观测时，电子显然就同时经历着 “通过左缝 ”和“通 过右缝 ”两种历史。但一般来说，我们对于过分精细的历史没有兴趣，我们只关心我们所能观测到的 粗粒历史的情况。因为互相脱散(退相干)的缘故，这些历史之间失去了联系，只有一种能够被我们 感觉到。

 按照历史颗粒的粗细，我们可以创建一棵 “历史树 ”。还是拿我们的量子联赛来说，一个球队在 联赛中的历史，最粗可以分到什么程度呢？也许我们可以把它仅仅分成两种： “得到联赛冠军 ”和“没 有得到联赛冠军 ”。在这个极粗的层面上，我们只具体关心有否获得冠军，别的一概不理，它们都将 在计算中被加遍。但是我们也可以继续 “精确”下去，比如在 “得到冠军”这个分支上，还可以继续按照 胜率再区分成 “夺冠并且胜率超过50% ”和“夺冠但胜率不超过50% ”两个分支。类似地我们可以一直分下 去，具体到总共获胜了几场，具体到每场的胜负……一直具体到每场的详细比分为止。当然在现实 中我们仍可以继续 “精粒化”，具体到谁进了球，球场来了多少观众，其中多少人穿了红衣服，球场一 共长了几根草之类。但在这里我们假设，一场球最详细的信息就是具体的比分，没有更加详细的了。 这样一来，我们的历史树分到具体的比分就无法再继续分下去，这最底下的一层就是 “树叶”，也称为 “最精粒历史 ”(maximally fine-grained histories)。

对于两片树叶来讲，它们通常是互相相干的。我们无法明确地区分1:0获胜和2:0获胜这两种历史， 因此也无法用传统的概率去计算它们。但我们可以通过适当的粗粒化来构建符合常识的那些历史， 比如我们可以区分 “胜”，“平”和“负”这三大类历史，因为它们之间已经失去了干涉，退相干了。如此 一来，我们就可以用传统的经典概率来计算这些历史，这就形成了 “一族”退相干历史(a decoherent family of histories)，只有在同一族里，我们才能运用通常的理性逻辑来处理它们之间的概率关 系。有的时候，我们也不说 “退相干 ”，而把它叫做 “一致历史 ”(consistent histories)，DH的创建人 之一格里菲斯就爱用这个词，因此 “退相干历史 ”也常常被称为 “一致历史”解释，更加通俗一点，也可 以称为 “多历史 ”(many histories)理论。

 一般来说，在历史树上越接近根部(往上)，粗粒化就越厉害，其干涉也就越小。当然，并非所 有的粗粒历史之间都没有干涉，可以被赋予传统概率，具体地要符合某种 “一致条件”(consistency condition)，而这些条件可以由数学严格地推导出来。

 现在让我们考虑薛定谔猫的情况：当那个决定命运的原子衰变时，就这个原子本身来说，它的 确经历着衰变/不衰变两种可能的精粒历史。原子本身只是单个粒子，我们忽略的东西并不多。但一 旦猫被拖入这个剧情之中，我们的历史剧本换成了猫死/猫活两种，情况就不同了！无论是 “猫死”还 是“猫活”都是非常模糊的陈述，描述一只猫具体要用到10^27个粒子，当我们说 “猫活”的时候，我们 忽略了这只猫与外界的一切作用，比如它如何呼吸，如何与外界进行物质和能量交换……等等。就 算是“猫死”，它身上的n个粒子也仍然要和外界发生相互作用。换句话说， “猫活”和“猫死”其实是两大 类历史的总和，就像 “胜”是“1:0”，“2:0”，“2:1”……等历史的总和一样。当我们计算 “猫死”和“猫活” 之间的干涉时，我们其实穷尽了这两大类历史下的每一对精粒历史之间的干涉，而它们绝大多数都 最终抵消掉了。 “猫死”和“猫活”之间那千丝万缕的联系于是被切断，它们退相干，最终只有其中的一 个真正发生！如果从密度矩阵的角度来看问题，则其表现为除了矩阵对角线上的那些经典概率之外， 别的干涉项都迅速消减为0：矩阵 “对角化 ”了！而这里面既没有自发的随机定域，也没有外部的 “观测 者”，更没有看不见的隐变量！

 如果DH解释是正确的，那么我们每时每刻其实都经历着多重的历史，世界上的每一个粒子，事 实上都处在所有可能历史的叠加中！但一旦涉及到宏观物体，我们所能够观察和描述的则无非是一 些粗粒化的历史，当细节被抹去时，这些历史便互相退相干，永久地失去了联系。比方说如果最终 猫还活着，那么 “猫死”这个分支就从历史树上被排除了，按照奥卡姆剃刀，我们不妨说这些历史已经 不存在于宇宙之中。

 嗯，虽然听起来古怪，但它至少可以自圆其说，不是吗？粗粒化的方法看起来可能让人困惑， 但其实却并没有那么大惊小怪，我们事实上经常有意无意地用到这些办法。比如在中学里我们计算 地球和太阳之间的引力，我们把两个星球 “粗粒化”为两个质点。实际上地球和太阳是两个庞大的球体， 但以质心代替所有的点，而忽略它们的具体位置之后，我们实际上已经不知不觉地加遍了两个球体 内部每一对质点之间的吸引力。在DH解释中，我们所做的只不过更加复杂一点罢了。

 从数学上说，DH是定义得很好的一个理论，而从哲学的雅致观点来看，其支持者也颇为得意地 宣称它是一种假设最少，而最能体现 “物理真实 ”的理论。但是，DH的日子也并不像宣扬的那样好过， 对其最猛烈的攻击来自我们在上一章提到过的，GRW理论的创立者之一GianCarloGhirardi。自从DH 理论创立以来，这位意大利人和其同事至少在各类物理期刊上发表了5篇攻击退相干历史解释的论 文。Ghirardi敏锐地指出，DH解释并不比传统的哥本哈根解释好到哪里去！

 正如我们已经为大家所描述过的那样，在DH解释的框架内我们定义了一系列的 “粗粒”的历史， 当这些历史符合所谓的 “一致条件 ”时，它们就形成了一个互相之间退相干的历史族(family)。比如在 我们的联赛中，针对某一场具体的比赛， “胜”，“平”，“负”就是一个合法的历史族，在它们之间只有 一个能够发生，因为它们互相之间都已经几乎没有联系。但是，在数学上利用同样的手法，我们也 可以定义一些另外的历史族，它们同样合法！比如我们并不一定关注胜负关系，而可以考虑另外的 方面比如进球数。现在我们进行另一种粗粒化，把比赛结果区分为 “没有进球 ”，“进了一个球 ”，“进了 两个球 ”以及“进了两个以上的球 ”。从数学上看，这4种历史同样符合 “一致条件 ”，它们构成了另一个 完好的退相干历史族！

 现在，当我们观测了一场比赛，所得到的结果就取决于所选择的历史族。对于同一场比赛，我 们可能观测到 “胜”，但换一个角度，也可能观测到 “进了两个球 ”。当然，它们之间并不矛盾，但如果 我们仔细地考虑一下，在 “现实中 ”真正发生了什么，这仍然叫我们困惑。

 当我们观测到 “胜”的时候，我们假设在其属下所有的精粒历史都在发生，比如1:0，2:1，2:0，

3:0……所有的历史都发生了，只不过我们观测不到具体的精细结果，也对它们并不感兴趣。可对于 同样一场比赛，我们也可能观测到 “进了两个球 ”，这时候我们的假设其实是，所有进了两个球的历史 都发生了。比如2:0，2:1，2:2，2:3……  现在我们考虑某种特定的精粒历史，比如说1:0这样一个历史。虽然我们从来不会实际观测到 这样一个历史，但这并不妨碍我们去问：1:0的历史究竟发生了没有？当观测结果是 “胜”的时候，它 显然发生了；而当观测结果是 “进了两个球”的时候，它却显然没有发生！可是，我们描述的却是同一 场比赛！

 DH的本意是推翻教科书上的哥本哈根解释，把观测者从理论中赶出去，还物理世界以一个客观 实在的解释。也就是说，所有的物理属性都是超越于你我的观察之外独立存在的，它不因为任何主 观事物而改变。但现在DH似乎是哑巴吃黄连--有苦说不出。 “1:0的历史究竟是否为真 ”这样一个物理 描述，看来的确要取决于历史族的选择，而不是 “客观存在”的！这似乎和玻尔他们是殊途同归：宇宙 中没有纯粹的客观的物理属性，所有的属性都只能和具体的观察手段连起来讲！

 但DH的支持者辩护说，任何理性的逻辑推理(reasoning)，都只能用在同一个退相干家族中， 而不能跨家族使用。比如当我们在 “胜，平，负 ”这样一族历史中得到了 “1:0的精粒历史发生了 ”这样 一个结论后，我们绝不能把它带到另一族历史(比如 “没进球，进1球，进2球，进2球以上 ”)中去，并 与其相互比较。他们把这总结成所谓的 “同族原则 ”(single familyrule)，并宣称这是量子论中最重 要的原则。

 这一点先放在一边不论，DH的另一个难题是，在理论中实际上存在着种类繁多的 “退相干族 ”， 而我们在现实中观察到的却只有一个！还是拿我们的量子联赛来说，就单单一场比赛而言，我们在 前面定义了一个退相干族，也就是 “胜，平，负 ”。这一族中包含了3大种粗粒历史，它们之间都互相 退相干。这看上去一点都不错，但问题是，并不只有 “胜，平，负 ”这样的分法是可能的，还有无穷种 其他的分法，其中的大部分甚至是千奇百怪，不符合常识的，但理论并没有解释我们为何观测到的 不是这些另外的分类！

 比方说，我们从理论上定义3种历史： “又胜又平 ”，“又胜又负 ”，“又平又负 ”，这3种历史在数学 上同样构成一个合法并且完好的退相干族：它们的概率可以经典相加，你无论观测到其中的哪一种， 就无法再观测到另外的两种。但显然在实际中，一场比赛不可能 “又胜又负 ”，那么DH就欠我们一个解 释，它必须说明为什么在现实中的比赛是分成 “胜，平，负 ”的，而不是 “又胜又平 ”之类，虽然它们在 数学上并没有太大的不同！

 在这个问题上，DH的辩护者也许会说，理论只有义务解释现实的运作，而没有义务解释现实的 存在！我们是从现实出发去建立理论，而不是从理论出发去建立现实！好比说 “1头牛加1头牛等于2 头牛”和“1头斯芬克斯加1头斯芬克斯等于2头斯芬克斯 ”在数学上都是成立的，但数学没有义务解释为 什么在现实世界中，实际可供我们相加的只有牛，而没有斯芬克斯这样的怪兽。在这一点上实证主 义者和柏拉图主义者往往会产生尖锐的冲突，一个突出的例子是我们在后面将会略微讨论到的超弦 理论。弦论用10个维度来解释我们的世界，其中6个维度是蜷缩的，但它没有说明为什么是6个维度 蜷缩，而不是5个或者8个维度，这使它受到了一些尖锐的诘问。但实证主义者常常会对这样的穷追 猛打感到奇怪：因为只有假设6个维度蜷缩才能解释我们观测到的现实世界(现实世界是4维的)，这 就够了嘛，这不就是所有的理由吗？哪还来的那么多刨根问底呢？

 不过DH的支持者如果护定这样一种实证主义立场的话，他们也许暂时忽略了建立这个理论的初 衷，也就是摆脱玻尔和海森堡的哥本哈根解释--那可是最彻底的实证主义！不管怎么说，在这上面 DH的态度是有些尴尬的，而有关量子力学的大辩论也仍在进行之中，我们仍然无法确定究竟谁的看 法是真正正确的。量子魔术在困扰了我们超过100年之后，仍然拒绝把它最深刻的秘密展示在世人面 前。也许，这一秘密，将终究成为永久的谜题。

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 饭后闲话：时间之矢

 我们生活在一个4维的世界中，其中3维是空间，1维是时间。时间是一个很奇妙的东西，它似

乎和另3维空间有着非常大的不同，最关键的一点是，它似乎是有方向性的！拿空间来说，各个方向 没有什么区别，你可以朝左走，也可以向右走，但在时间上，你只能从 “过去”向“未来”移动，而无法 反过来！虽然有太多的科幻故事讲述人们如何回到过去，但在现实中，这从来也没有发生过，而且 很可能永远不会发生！这样猜测的理由还是基于某种类似人择原理的东西：假如理论上可以回到过 去，那么虽然我们不行，未来的人却可以，但从未见到他们 “回来”我们这个时代。所以很有可能的是， 未来任何时代的人们都无法做到让时钟反方向转动，它是理论上无法做到的！

 这看起来很正常，无法逆着时间箭头运动，这似乎天经地义。但在物理上，这却是令人困惑的， 因为在理论中，似乎没有什么特征可以显示出时间有一个特别的方向。不论是牛顿还是爱因斯坦的 理论，它们都是时间对称的！中学老师告诉你t0时刻的状态，你就可以向 “未来”前进，推出tn时刻， 但也可以反过来向 “过去”前进，推出-tn时刻。理论没有告诉我们为什么时间只能向tn移动，而不可 以反过来向-tn移动！事实上，在基本层面上，不管时间是正着走还是倒着走，它都是符合物理定律 的！但是，一旦脱离基本层面，上升到一个比较高的层次，时间之矢却神秘地出现了：假如我们不 考虑单个粒子，而考虑许多粒子的组合，我们就发现一个强烈的方向。比如我们本身只能逐渐变老， 而无法越来越年轻，杯子会打碎，但绝不会自动粘贴在一起。这些可以概括为一个非常强大的定律， 即着名的热力学第二定律，它说，一个孤立体系的混乱程度总是不断增加的，它的量度称为 “熵”。换 句话说，熵总是在变大，时间的箭头指向熵变大的那个方向！

 现在我们考察量子论。在本节我们讨论了DH解释，所有的 “历史”都是定义得很好的，不管你什 么时候去测量，这些历史--从过去到未来--都已经在那里存在。我们可以问，当观测了t0时刻后， 历史们将会如何退相干，但同样合法的是，我们也可以观测tn时刻，看“之前”的那些时刻如何退相干。 实际上，当我们用路径积分把时间加遍的时候，我们仍然没有考虑过时间的方向问题，它在两个方 向上都是没有区别的！再说，如果考察量子论的基本数学形式，那么薛定谔方程本身也仍然是时间 对称的，唯一引起不对称的是哥本哈根所谓的 “坍缩”，难道时间的 “流逝”，其实等价于波函数不停的 “坍缩”？然而DH是不承认这种坍缩的，或许，我们应当考虑的是历史树的裁剪？盖尔曼和哈特等人也 试图从DH中建立起一个自发的时间箭头来，并将它运用到量子宇宙学中去。

 我们先不去管DH，如果仔细考虑 “坍缩”，还会出现一个奇怪现象：假如我们一直观察系统，那 么它的波函数必然 “总是”在坍缩，薛定谔波函数从来就没有机会去发展和演化。这样，它必定一直停 留在初始状态，看上去的效果相当于时间停滞了。也就是说，只要我们不停地观察，波函数就不演 化，时间就会不动！这个佯谬叫做 “量子芝诺效应 ”(quantum Zeno effect)，我们在前面已经讨论过 了芝诺的一个悖论，也就是阿喀琉斯追乌龟，他另有一个悖论是说，一支在空中飞行的箭，其实是 不动的。为什么呢？因为在每一个瞬间，我们拍一张snapshot，那么这支箭在那一刻必定是不动的， 所以一支飞行的箭，它等于千千万万个 “不动”的组合。问题是，每一个瞬间它都不动，连起来怎么可 能变成 “动”呢？所以飞行的箭必定是不动的！在我们的实验里也是一样，每一刻波函数(因为观察) 都不发展，那么连在一起它怎么可能发展呢？所以它必定永不发展！

 从哲学角度来说我们可以对芝诺进行精彩的分析，比如恩格斯漂亮地反驳说，每一刻的箭都处 在不动与动的矛盾中，而真实的运动恰好是这种矛盾本身！不过我们不在意哲学探讨，只在乎实验 证据。已经有相当多的实验证实，当观测频繁到一定程度时，量子体系的确表现出芝诺效应。这是 不是说，如果我们一直盯着薛定谔的猫看，则它永远也不会死去呢？

 时间的方向是一个饶有趣味的话题，它很可能牵涉到深刻的物理定律，比如对称性破缺的问题。 在极早期宇宙的研究中，为了彻底弄明白时间之矢如何产生，我们也迫切需要一个好的量子引力理 论，在后面我们会更详细地讲到这一点。我们只能向着未来，而不是过去前进，这的确是我们神奇 的宇宙最不可思议的方面之一。

三 　

 好了各位，到此为止，我们在量子世界的旅途已经接近尾声。我们已经浏览了绝大多数重要的 风景点，探索了大部分先人走过的道路。但是，正如我们已经强烈地感受到的那样，对于每一条道 路来说，虽然一路上都是峰回路转，奇境叠出，但越到后来却都变得那样地崎岖不平，难以前进。 虽说“入之愈深，其进愈难，而其见愈奇 ”，但精神和体力上的巨 大疲惫到底打击了我们的信心，阻止了我们在任何一条道上顽强地冲向终点。

 当一次又一次地从不同的道路上徒劳而返之后，我们突然发现，自己已经处在一个巨大的迷宫 中央。在我们的身边，曲折的道路如同蛛网一般地辐射开来，每一条都通向一个幽深的不可捉摸的 未来。我已经带领大家去探讨了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史等6条道路， 但要告诉各位的是，仍然还有非常多的偏僻的小道，我们并没有提及。比如有人认为当进行了一次 “观 测”之后，宇宙没有分裂，只有我们大脑的状态(或者说 “精神”)分裂了！这称为 “多精神解 释”(many-minds intepretation)，它名副其实地算得上一种精神分裂症！还有人认为，在量子层面 上我们必须放弃通常的逻辑(布尔逻辑)，而改用一种 “量子逻辑 ”来陈述！另一些人不那么激烈，他们 觉得不必放弃通常的逻辑，但是通常的 “概率”概念则必须修改，我们必须引入 “复”的概率，也就是说 概率并不是通常的0到1，而是必须描述为复数！华盛顿大学的物理学家克拉默(John G Cramer)建立 了一种非定域的 “交易模型”(The transactional model)，而他在牛津的同行彭罗斯则认为波函数的 缩减和引力有关。彭罗斯宣称只要空间的曲率大于一个引力子的尺度，量子线性叠加规则就将失效， 这里面还牵涉到量子引力的复杂情况诸如物质在跌入黑洞时如何损失了信息……等等，诸如此类。 即便是我们已经描述过的那些解释，我们的史话所做的也只是挂一漏万，只能给各位提供一点最基 本的概念。事实上，每一种解释都已经衍生出无数个变种，它们打着各自的旗号，都在不遗余力地 向世人推销自己，这已经把我们搞得头晕脑胀，不知所措了。现在，我们就像是被困在克里特岛迷 宫中的那位忒修斯(Theseus)，还在茫然而不停地摸索，苦苦等待着阿里阿德涅(Ariadne)--我们那 位可爱的女郎--把那个指引方向，命运攸关的线团扔到我们手中。

 1997年，在马里兰大学巴尔的摩郡分校(UMBC)召开了一次关于量子力学的研讨会。有人在与会 者中间做了一次问卷调查，统计究竟他们相信哪一种关于量子论的解释。结果是这样的：哥本哈根 解释13票，多宇宙8票，玻姆的隐变量4票，退相干历史4票，自发定域理论(如GRW)1票，还有18票都 是说还没有想好，或者是相信上述之外的某种解释。到了1999年，在剑桥牛顿研究所举行的一次量 子计算会议上，又作了一次类似的调查，这次哥本哈根4票，修订过的运动学理论(它们对薛定谔方 程进行修正，比如GRW)4票，玻姆2票，而多世界(MWI)和多历史(DH)加起来(它们都属于那种认为 “没 有坍缩存在 ”的理论)得到了令人惊奇的30票。但更加令人惊奇的是，竟然有50票之多承认自己尚无 法作出抉择。在宇宙学家和量子引力专家中，MWI受欢迎的程度要高一些，据统计有58%的人认为多 世界是正确的理论，而只有18%明确地认为它不正确。但其实许多人对于各种 “解释”究竟说了什么是 搞不太清楚的，比如人们往往弄不明白多世界和多历史到底差别在哪里，或许，它们本来就没有明 确的分界线。就算是相信哥本哈根的人，他们互相之间也会发生严重的分歧，甚至关于它到底是不 是一个决定论的解释也会造成争吵。量子论仍然处在一个战国纷争的时代，玻尔，海森堡，爱因斯 坦，薛定谔……他们的背影虽然已经离我们远去，但他们当年曾战斗过的这片战场上仍然硝烟弥漫， 他们不同的信念仍然支撑着新一代的物理学家，激励着人们为了那个神圣的目标而继续奋战。

 想想也真是讽刺，量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一，到今天为止它的基本数学 形式已经被创立了将近整整80年。它在每一个领域内都取得了巨大的成功，以致和相对论一起成为 了支撑物理学的两大支柱。80年！任何一种事物如果经历了这样一段漫长时间的考验后仍然屹立不 倒，这已经足够把它变成不朽的经典。岁月将把它磨砺成一个完美的成熟的体系，留给人们的只剩 下深深的崇敬和无限的唏嘘，慨叹自己为何不能生于乱世，提三尺剑立不世功名，参予到这个伟大 工作中去。但量子论是如此地与众不同，即使在它被创立了80年之后，它仍然没有被最后完成！人 们仍在为了它而争吵不休，为如何 “解释”它而闹得焦头烂额，这在物理史上可是前所未有的事情！想 想牛顿力学，想想相对论，从来没有人为了如何 “解释”它们而操心过，对比之下，这更加凸现出量子 论那独一无二的神秘气质。

 人们的确有理由感到奇怪，为什么在如此漫长的岁月过去之后，我们不但没有对量子论了解得 更清楚，反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。最杰出的量子论专家们各执一词，人人都声称只 有他的理解才是正确的，而别人都错了。量子谜题已经成为物理学中一个最神秘和不可捉摸的部位， Zeilinger有一次说： “我做实验的唯一目的，就是给别的物理学家看看，量子论究竟有多奇怪。 ”到 目前为止，我们手里已经攥下了超过一打的所谓 “解释”，而且它的数目仍然有望不断地增加。很明显， 在这些花样繁多的提议中间，除了一种以外，绝大多数都是错误的。甚至很可能，到目前为止所有 的解释都是错误的，但这却并没有妨碍物理学家们把它们创造出来！我们只能说，物理学家的想象 力和创造力是非凡的，但这也引起了我们深深的忧虑：到底在多大程度上，物理理论如同人们所骄 傲地宣称的那样，是对于大自然的深刻 “发现”，而不属于物理学家们杰出的智力 “发明”？

 但从另外一方面看，我们对于量子论本身的确是没有什么好挑剔的。它的成功是如此巨大，以 致于我们除了咋舌之外，根本就来不及对它的奇特之处有过多的评头论足。从它被创立之初，它就 挟着雷霆万钧的力量横扫整个物理学，把每个角落都塑造得焕然一新。或许就像狄更斯说的那样， 这是最坏的时代，但也是最好的时代。

 量子论的基本形式只是一个大的框架，它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下， 多粒子之间的相互作用时，我们就必定要涉及到场的作用，这就需要如同当年普朗克把能量成功地 量子化一样，把麦克斯韦的电磁场也进行大刀阔斧的量子化--建立量子场论(quantum fieldtheory)。这个过程是一个同样令人激动的宏伟故事，如果铺展开来叙述，势必又是一篇规模庞大的 史话，因此我们只是在这里极简单地作一些描述。这一工作由狄拉克开始，经由约尔当、海森堡、 泡利和维格纳的发展，很快人们就认识到：原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种场，这些场有着 不同的能量形态，而当能量最低时，这就是我们通常说的 “真空”。因此真空其实只不过是粒子的一种 不同形态(基态)而已，任何粒子都可以从中被创造出来，也可以互相湮灭。狄拉克的方程预言了所 谓的“反物质 ”的存在，任何受过足够科普熏陶的读者对此都应该耳熟能详：比如一个正常的氢原子由 带正电的质子和带负电的电子组成，但在一个 “反氢原子 ”中，质子却带着负电，而电子带着正电！当 一个原子和一个 “反原子”相遇，它们就轰隆一声放出大量的能量辐射，然后双方同时消失得无影无踪， 其关系就符合20世纪最有名的那个物理方程：E＝mc^2！

最早的 “反电子 ”由加州理工的安德森(Carl Anderson)于1932年在研究宇宙射线的时候发现。它 的意义是如此重要，以致于仅仅过了4年，诺贝尔奖评委会就罕见地授予他这一科学界的最高荣誉。

 但是，虽然关于辐射场的量子化理论在某些问题上是成功的，但麻烦很快就到来了。1947年， 在《物理评论》上刊登了有关兰姆移位和电子磁矩的实验结果，这和现有的理论发生了微小的偏差， 于是人们决定利用微扰办法来重新计算准确的值。但是，算来算去，人们惊奇地发现，当他们想尽 可能地追求准确，而加入所有的微扰项之后，最后的结果却适得其反，它总是发散为无穷大！

 这可真是让人沮丧的结果，理论算出了无穷大，总归是一件荒谬的事情。为了消除这个无穷大， 无数的物理学家们进行了艰苦卓绝，不屈不挠的斗争。这个阴影是如此难以驱散，如附骨之蛆一般 地叫人头痛，以至于在一段时间里把物理学变成了一个让人无比厌憎的学科。最后的解决方案是日 本物理学家朝永振一郎、美国人施温格(Julian S Schwiger)和戴森(Freeman Dyson)，还有那位传 奇的费因曼所分别独立完成的，被称为 “重正化 ”(renormalization)方法，具体的技术细节我们就不 用理会了。虽然认为重正化牵强而不令人信服的科学家大有人在，但是采用这种手段把无穷大从理 论中赶走之后，剩下的结果其准确程度令人吃惊得瞠目结舌：处理电子的量子电动力学(QED)在经过 重正化的修正之后，在电子磁距的计算中竟然一直与实验值符合到小数点之后第11位！亘古以来都 没有哪个理论能够做到这样教人咋舌的事情。

 实际上，量子电动力学常常被称作人类有史以来 “最为精确的物理理论 ”，如果不是实验值经过 反复测算，这样高精度的数据实在是让人怀疑是不是存心伪造的。但巨大的胜利使得一切怀疑都最 终迎刃而解，QED也最终作为量子场论一个最为悠久和成功的分支而为人们熟知。虽然最近彭罗斯声 称说，由于对赫尔斯-泰勒脉冲星系统的观测已经积累起了如此确凿的关于引力波存在的证明，这实

际上使得广义相对论的精确度已经和实验吻合到10的负14次方，因此超越了QED(赫尔斯和泰勒获得 了1993年诺贝尔物理奖)。但无论如何，量子场论的成功是无人可以否认的。朝永振一郎，施温格和 费因曼也分享了1965年的诺贝尔物理奖。

 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)和霍金提出了着名的 “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引发了更多的技术革命。核能、 计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说， 如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识，DNA的双螺旋结构也就不会被发现，分子生物 学也就无法建立，也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说，没有量子力学，也就没 有欧洲粒子物理中心(CERN)，而没有CERN，也就没有互联网的www服务，更没有划时代的网络革命， 各位也就很可能看不到我们的史话，呵呵。

 如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件，那么可以毫不夸张地说，这既不是两次 世界大战，也不是共产主义运动的兴衰，也不是联合国的成立，或者女权运动，殖民主义的没落， 人类探索太空……等等。它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活 的每一个角落，它的影响无处不在，触手可得。许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现相对论 和量子论究竟谁更 “伟大”，从一个普遍的意义上来说这样的比较是毫无意义的，所谓 “伟大”往往不具

有可比性，正如人们无聊地争论李白还是杜甫，莫扎特还是贝多芬，汉朝还是罗马，贝利还是马拉 多纳，Beatles还是滚石，阿甘还是肖申克……但仅仅从实用性的角度而言，我们可以毫不犹豫地下 结论说：是的，量子论比相对论更加 “有用”。

 也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论，但它的进步意义依旧无可限量。虽然我们 有时候还会偶尔怀念经典时代，怀念那些因果关系一丝不苟，宇宙的本质简单易懂的日子，但这也 已经更多地是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说： “曾经有一片属于骑 士和棉花园的土地叫做老南方。在这个美丽的世界里，绅士们最后一次风度翩翩地行礼，骑士们最 后一次和漂亮的女伴们同行，人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书 本中去寻找的旧梦，一个随风飘逝的文明。 ”虽然有这样的伤感，但人们依然还是会歌颂北方扬基们 最后的胜利，因为我们从他们那里得到更大的力量，更多的热情，还有对于未来更执着的信心。

四 　　

9附图: theory.jpg (17744字节)

但量子论的道路仍未走到尽头，虽然它已经负担了太多的光荣和疑惑，但命运仍然注定了它要继续 影响物理学的将来。在经历了无数的风雨之后，这一次，它面对的是一个前所未有强大的对手，也 是最后的终极挑战--广义相对论。

 标准的薛定谔方程是非相对论化的，在它之中并没有考虑到光速的上限。而这一工作最终由狄 拉克完成，最后完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当我们仅仅考虑电磁 场的时候，我们得到的是量子电动力学，它可以处理电磁力的作用。大家在中学里都知道电磁力： 同性相斥，异性相吸，量子电动力学认为，这个力的本质是两个粒子之间不停地交换光子的结果。 两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开，这其中发生了什么呢？原来两个电子不停地在交换光 子。想象两个溜冰场上的人，他们不停地把一只皮球抛来抛去，从一个人的手中扔到另一个人那里， 这样一来他们必定离得越来越远，似乎他们之间有一种斥力一样。在电磁作用力中，这个皮球就是 光子！那么同性相吸是怎么回事呢？你可以想象成两个人背靠背站立，并不停地把球扔到对方面对 的墙壁上再反弹到对方手里。这样就似乎有一种吸力使两人紧紧靠在一起。

但是，当处理到原子核内部的事务时，我们面对的就不再是电磁作用力了！比如说一个氦原子 核，它由两个质子和两个中子组成。中子不带电，倒也没有什么，可两个质子却都带着正电！如果 说同性相斥，那么它们应该互相弹开，而怎么可能保持在一起呢？这显然不是万有引力互相吸引的 结果，在如此小的质子之间，引力微弱得基本可以忽略不计，必定有一种更为强大的核力，比电磁 力更强大，才可以把它们拉在一起不致分开。这种力叫做强相互作用力。

 聪明的各位也许已经猜到了，既然有 “强”相互作用力，必定相对地还有一种 “弱”相互作用力， 事实正是如此。弱作用力就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。这样一来，我们的宇宙中就总共 有着4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政，互不管辖，遵 守着不同的理论规则。

 但所有这些力的本质是什么呢？是不是也如同电磁力那样，是因为交换粒子而形成的？日本物 理学家汤川秀树--他或许是日本最着名的科学家--预言如此。在强相互作用力中，汤川认为这是因 为核子交换一种新粒子--介子(meson)而形成的。他所预言的介子不久就为安德森等人所发现，不过 那却是一种不同的介子，现在称为 μ子，它和汤川理论无关。汤川所预言的那种介子现在称为 π子， 它最终在1947年为英国人鲍威尔(Cecil Frank Powell)在研究宇宙射线时所发现。汤川获得了1949 年的诺贝尔物理奖，而鲍威尔获得了1950年的。对于强相互作用力的研究仍在继续，人们把那些感

受强相互作用力的核子称为 “强子”，比如质子、中子等。1964年，我们的盖尔曼提出，所有的强子都 可以进一步分割，这就是如今家喻户晓的 “夸克”模型。每个质子或中子都由3个夸克组成，每种夸克 既有不同的 “味道”，更有不同的“颜色”，在此基础上人们发明了所谓的 “量子色动力学 ”(QCD)，来描述。 夸克之间同样通过交换粒子来维持作用力，这种被交换的粒子称为 “胶子”(gluon)。各位也许已经有 些头晕脑胀，我们就不进一步描述了。再说详细描述基本粒子的模型需要太多的笔墨，引进太多的 概念，但我们的史话所留下的篇幅已经不多，所以只能这样简单地一笔带过。如果想更好地了解有 关知识，盖尔曼曾写过一本通俗的读物《夸克与美洲豹》，而伟大的阿西莫夫(Isaac Asimov)则有 更多精彩的论述，虽然时代已经不同，但许多作品却仍然并不过时！

 强相互作用是交换介子，那么弱相互作用呢？汤川秀树同样预言它必定也交换某种粒子，这种 粒子被称为 “中间玻色子 ”。与强作用力所不同的是，弱相互作用力的理论形式看上去同电磁作用力非 常相似，这使得人们开始怀疑，这两种力实际上是不是就是同一种东西，只不过在不同的环境中表 现得不尽相同而已？特别是当李政道与杨振宁提出了弱作用下宇称不守恒之后，这一怀疑愈加强烈。 终于到了60年代，统一弱相互作用力和电磁力的工作由美国人格拉肖(Sheldon Glashow)、温伯格 (Steven Weinberg)和巴基斯坦人萨拉姆(Aldus Salam)所完成，他们的成果被称为 “弱电统一理论”， 3人最终为此得到了1979年的诺贝尔奖。该理论所预言的3种中间玻色子(W＋，W-和Z0)到了80年代被 实验所全部发现，更加证实了它的正确性。

 物理学家们现在开始大大地兴奋起来了：既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种东西，可 以被一个相同的理论所描述，那么我们又有什么理由不去相信，所有的4种力其实都是同一种东西 呢？所有的物理学家都相信，上帝--大自然的创造者--他老人家是爱好简单的，他不会把我们的世 界搞得复杂不堪，让人摇头叹气，他必定按照某一种标准的模式创造了这个宇宙！而我们要做的工 作，就是把上帝所依据的这个蓝图找出来。这蓝图必定只有一份，而所有的物理现象，物理力都被 涵盖在这个设计之中！如果模仿《独立宣言》中那着名的句子，物理学家完全愿意宣称：

 我们认为这是不言而喻的事实：每一种力都是被相同地创造的。

We hold the truth to be self-evident, that all forces are created equal.

 是啊，要是真有那么一个理论，它可以描述所有的4种力，进而可以描述所有的物理现象，那 该是怎样一幅壮观的场面啊！那样一来，整个自然，整个物理就又重新归于统一之中，就像史诗中 所描写的那个传奇的黄金时代与伟大的经典帝国，任何人都无法抗拒这样一种诱人的景象，仿佛一 个新的伟大时代就在眼前。戎马已备，戈矛已修，浩浩荡荡的大军终于就要出发，去追寻那个失落 已久的统一之梦。

 现在，弱作用力和电磁力已经被合并了，下一个目标是强相互作用力，正如我们已经介绍的那 样，这块地域目前为止被量子色动力学所统治着。但幸运地是，虽然兵锋指处，形势紧张严峻，大 战一触即发，但两国的君主却多少有点血缘关系，这给和平统一留下了余地：它们都是在量子场论 的统一框架下完成的。1954年，杨振宁和米尔斯建立了规范场论，而吸取了对称性破缺的思想之后， 这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发地获得质量。正因为如此，中间玻色子和光子才得以 被格拉肖等人包含在同一个框架内。而反观量子色动力学，它本身就是模仿量子电动力学所建立的， 连名字都模仿自后者！所不同的是光子不带电荷，但胶子却带着 “颜色”荷，但如果充分地考虑自发对 称破缺的规范场，将理论扩充为更大的单群，把胶子也拉进统一中来并非不可能。这样的理论被骄 傲地称为 “大统一理论 ”(Grand Unified Theory，GUT)，它后来发展出了多个变种，但不管怎样，其 目标是一致的，那就是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力3种力，把它们合并在一起，包含 到同一个理论中去。不同的大统一理论预言了一些不同的物理现象，比如质子可能会衰变，比如存 在着磁单极子，或者奇异弦，但可惜的是，到目前为止这些现象都还没有得到确凿的证实。退一步 来说，由于理论中一些关键的部分比如希格斯玻色子的假设到目前为止都尚未在实验中发现，甚至 我们连粒子的标准模型也不能100%地肯定正确。但无论如何，大统一理论是非常有前途的理论，人

们也有理由相信它终将达到它的目标。

 可是，虽然号称 “大统一 ”，这样的称号却依旧是名不副实的。就算大统一理论得到了证实，天 下却仍未统一，四海仍未一靖。人们怎么可以遗漏了那块辽阔的沃土--引力呢？GUT即使登基，他的 权力仍旧是不完整的，对于引力，他仍旧鞭长莫及。天无二日民无二君，雄心勃勃的物理学家们早 就把眼光放到了引力身上，即使他们事实上连强作用力也仍未最终征服。正可谓尚未得陇，便已望 蜀。

 引力在宇宙中是一片独一无二的区域，它和其他3种力似乎有着本质的不同。电磁力有时候互 相吸引，有时候互相排斥，但引力却总是吸引的！这使它可以在大尺度上累加起来。当我们考察原 子的时候，引力可以忽略不计，但一旦我们的眼光放到恒星、星云、星系这样的尺度上，引力便取 代别的力成了主导因素。想要把引力包含进统一的体系中来是格外困难的，如果说电磁力、强作用 力和弱作用力还勉强算同文同种，引力则傲然不群，独来独往。何况，我们并没有资格在它面前咆 哮说天兵已至，为何还不服王化云云，因为它的统治者有着同样高贵的血统和深厚的渊源：这里的 国王是爱因斯坦伟大的广义相对论，其前身则是煌煌的牛顿力学！

 物理学到了这个地步，只剩下了最后一个分歧，但也很可能是最难以调和和统一的分歧。量子 场论虽然争取到了狭义相对论的合作，但它还是难以征服引力：广义相对论拒绝与它联手统治整个 世界，它更乐于在引力这片保留地上独立地呼风唤雨。从深层次的角度上说，这里凸现了量子论和 相对论的内在矛盾，这两个20世纪的伟大物理理论之间必定要经历一场艰难和痛苦的融合，才能孕 育出最后那个众望所归的王者，完成 “普天之下，莫非王土 ”的宏愿。

 物理学家有一个梦想，一个深深植根于整个自然的梦想。他们梦想有一天，深壑弥合，高山夷 平，荆棘变沃土，歧路变通衢。他们梦想造物主的光辉最终被揭示，而众生得以一起朝觐这一终极 的奥秘。而要实现这个梦想，就需要把量子论和相对论真正地结合到一起，从而创造一个量子引力 理论。它可以解释一切的力，进而阐释一切的物理现象。这样的理论是上帝造物的终极蓝图，它讲 述了这个自然最深刻的秘密。只有这样的理论，才真正有资格称得上 “大统一 ”，不过既然大统一的名 字已经被GUT所占用了，人们给这种终极理论取了另外一个名字：万能理论(Theory of Everything， TOE)。

 爱因斯坦在他的晚年就曾经试图去实现这个梦想，在普林斯顿的那些日子里，他的主要精力都 放在如何去完成统一场论上(虽然他还并不清楚强力和弱力这两个王国的存在)。但是，爱因斯坦的 战略思想却是从广义相对论出发去攻打电磁力，这样的进攻被证明是极为艰难而伤亡惨重的：不仅 边界上崇山峻岭，有着无法克服的数学困难，而且对方居高临下，地形易守难攻，占尽了便宜。虽 然爱因斯坦执着不懈地一再努力，但整整30年，直到他去世为止，仍然没能获得任何进展。今天看 来，这个失败是不可避免的，广义相对论和量子论之间有一条深深的不可逾越的鸿沟，而爱因斯坦 的旧式军队是绝无可能跨越这个障碍的。但在另一面，爱因斯坦所不喜欢的量子论迅猛地发展起来， 正如我们描述的那样，它的力量很快就超出了人们所能想象的极限。这一次，以量子论为主导，统 一是否能够被真正完成了呢？

 历史上产生了不少量子引力理论，但我们只想极为简单地描述一个。它近来大红大紫，声名远 扬，时髦无比，倘若谁不知道它简直就不好意思出来混。大家一定都明白我说的是超弦(Superstring) 理论，许多读者迫使我相信，如果不在最后提一下它，那么我们的史话简直就是一肚子不合时宜。

********* 饭后闲话：霍金打赌

 1999年，霍金在一次演讲中说，他愿意以1赔1，赌一个万能理论会在20年内出现。现在是不是 真的有人和他打这个赌我暂时不得而知，不过霍金好打赌是出了名的，咱们今天就来闲话几句打赌

的话题。

 我们所知的霍金打的最早的一个赌或许是他和两个幼年时的伙伴所打的：他们赌今后他们之间 是不是会有人出人头地。霍金出名后，还常常和当初的伙伴开玩笑说，因为他打赢了，所以对方欠 他一块糖。

 霍金33岁时，第一次就科学问题打赌，之后便一发不可收拾。今天我们所熟知的最有名的几个 科学赌局，几乎都同他有关。或者也是因为霍金太出名，太容易被媒体炒作渲染的缘故吧。

 1974年，黑洞的热潮在物理学界内方兴未艾。人们已经不太怀疑黑洞是一个物理真实，但在天 文观测上仍没有找到一个确实的实体。不过已经有几个天体非常可疑，其中一个叫做天鹅座X-1，如 果你小时候阅读过80年代的一些科普书籍，你会对这个名字耳熟能详。霍金对这个天体的身份表示 怀疑，他和加州理工的物理学家索恩(Kip Thorne)立下字据，以1年的《阁楼》(Penthouse)杂志赌 索恩4年的《私家侦探》(Private Eye)。大家也许会对霍金这样的大科学家竟然下这样的赌注而感 到惊奇(Penthouse大家想必都知道，是和Playboy齐名的男性杂志，不过最近倒闭了)，呵呵，不过 饮食男女人之大欲，反正他就是这样赌的。今天大家都已经知道，宇宙中的黑洞多如牛毛，天鹅X-1 的身份更是不用怀疑。1990年霍金到南加州大学演讲，当时索恩人在莫斯科，于是霍金大张旗鼓地 闯入索恩的办公室，把当年的赌据翻出来印上拇指印表示认输。

 霍金后来真的给索恩订了一年的《阁楼》，索恩家里的女性成员对此是有意见的。但那倒也不 是对于《阁楼》有什么反感，在美国这种开放社会这不算什么。反对的原因来自女权主义：她们坚 持索恩应该赌一份适合both男女阅读的杂志。当年索恩还曾赢了钱德拉塞卡的《花花公子》，出于 同样的理由换成了《听众》。

 霍金输了这个场子很是不甘，1年后便又找上索恩，同时还有索恩的同事，加州理工的另一位 物理学家普雷斯基(John Preskill)，赌宇宙中不可能存在裸奇点，负者为对方提供能够包裹 “裸体” 的衣服。这次霍金不到4个月就发现自己还是要输：黑洞在经过霍金蒸发后的确可能保留一个裸奇点！ 但霍金在文字上耍赖，声称由于量子过程而产生的裸奇点并不是赌约上描述的那个由于广义相对论 而形成的裸奇点，而且那个证明也是不严格的，所以不算。 逃得了初一逃不过十五，1997年德州大学的科学家用超级计算机证明了，当黑洞坍缩时，在非常特 别的条件下裸奇点在理论上是可以存在的！霍金终于认输，给他的对手各买了一件T恤衫。但他还是 不服气的，他另立赌约，赌虽然在非常特别的条件下存在裸奇点，但在一般情况下它是被禁止的！ 而且霍金在T恤上写的字更是不依不饶：大自然讨厌裸露！

 霍金在索恩那里吃了几次亏了，这次不知是否能翻盘。当然索恩也不是常赌不败的，他曾经和 苏联人泽尔多维奇(Zel'dovich)在黑洞辐射的问题上打赌，结果输了一瓶上好的名牌威士忌。有时 候霍金和索恩还会联手，比如在黑洞蒸发后是否吐出当初吃掉的信息这一问题上。霍金和索恩赌它 不会，而普雷斯基赌它会，赌注是 “信息”本身--胜利者将得到一本百科全书！这个问题迄无定论，不 过从最近发展的势头来看，霍金又有输的危险。今年(2004年)初，俄亥俄州立大学的科学家用弦论 更为明确地证明了，黑洞很可能将吐出信息！

 2000年，霍金又和密歇根大学的凯恩(GordonKane)赌100美元，说在芝加哥附近的费米实验室 里不可能发现所谓的 “希格斯玻色子 ”(这是英国物理学家希格斯于1964年预言的一种有重要理论意义 的粒子，但至今尚未证实)。后来他又和欧洲的一些粒子物理学家赌，说日内瓦的欧洲粒子物理实验 室里也不可能发现希格斯子。这次霍金算是赢了，至今仍然没有找到希格斯子的踪迹。不过霍金对 于这个假设的嘲笑态度使得许多粒子物理学家十分恼火，甚至上升为宇宙物理学家和粒子物理学家 之间的一种矛盾。希格斯本人于2002年在报上发表了言词尖刻的评论，说霍金因为名气大，所以人 们总是不加判断地相信他说的东西。这也引起了一场不大不小的风波。

 在科学问题上打赌的风气由来已久，而根据2002年Nature杂志上的一篇文章(Nature 420, p354)，目前在科学的各个领域内各种各样的赌局也是五花八门。这也算是科学另一面的趣味和魅力 吧？不知将来是否会有人以此为题材，写出又一篇类似《80天环游地球》的精彩小说呢？

五

 在统一广义相对论和量子论的漫漫征途中，物理学家一开始采用的是较为温和的办法。他们试 图采用老的战术，也就是在征讨强、弱作用力和电磁力时用过的那些行之有效的手段，把它同样用 在引力的身上。在相对论里，引力被描述为由于时空弯曲而造成的几何效应，而正如我们所看到的， 量子场论把基本的力看成是交换粒子的作用，比如电磁力是交换光子，强相互作用力是交换胶子…… 等等。那么，引力莫非也是交换某种粒子的结果？在还没见到这个粒子之前，人们已经为它取好了 名字，就叫 “引力子 ”(graviton)。根据预测，它应该是一种自旋为2，没有质量的玻色子。

 可是，要是把所谓引力子和光子等一视同仁地处理，人们马上就发现他们注定要遭到失败。在 量子场论内部，无论我们如何耍弄小聪明，也没法叫引力子乖乖地听话：计算结果必定导致无穷的 发散项，无穷大！我们还记得，在量子场论创建的早期，物理学家是怎样地被这个无穷大的幽灵所 折磨的，而现在情况甚至更糟：就算运用重正化方法，我们也没法把它从理论中赶跑。在这场战争 中我们初战告负，现在一切温和的统一之路都被切断，量子论和广义相对论互相怒目而视，作了最 后的割席决裂，我们终于认识到，它们是互不相容的，没法叫它们正常地结合在一起！物理学的前 途顿时又笼罩在一片阴影之中，相对论的支持者固然不忿气，拥护量子论的人们也有些踌躇不前： 要是横下心强攻的话，结局说不定比当年的爱因斯坦更惨，但要是战略退却，物理学岂不是从此陷 入分裂而不可自拔？

 新希望出现在1968年，但却是由一个极为偶然的线索开始的：它本来根本和引力毫无关系。那 一年，CERN的意大利物理学家维尼基亚诺(Gabriel Veneziano)随手翻阅一本数学书，在上面找到了 一个叫做 “欧拉β函数”的东西。维尼基亚诺顺手把它运用到所谓 “雷吉轨迹 ”(Regge trajectory)的问 题上面，作了一些计算，结果惊讶地发现，这个欧拉早于1771年就出于纯数学原因而研究过的函数， 它竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应！

 维尼基亚诺没有预见到后来发生的变故，他也并不知道他打开的是怎样一扇大门，事实上，他 很有可能无意中做了一件使我们超越了时代的事情。威顿(Edward Witten)后来常常说，超弦本来是 属于21世纪的科学，我们得以在20世纪就发明并研究它，其实是历史上非常幸运的偶然。

 维尼基亚诺模型不久后被3个人几乎同时注意到，他们是芝加哥大学的南部阳一郎，耶希华大 学(Yeshiva Univ)的萨斯金(Leonard Susskind)和玻尔研究所的尼尔森(Holger Nielsen)。三人分 别证明了，这个模型在描述粒子的时候，它等效于描述一根一维的 “弦”！这可是非常稀奇的结果，在 量子场论中，任何基本粒子向来被看成一个没有长度也没有宽度的小点，怎么会变成了一根弦呢？

 虽然这个结果出人意料，但加州理工的施瓦茨(John Schwarz)仍然与当时正在那里访问的法国 物理学家谢尔克(Joel Scherk)合作，研究了这个理论的一些性质。他们把这种弦当作束缚夸克的纽 带，也就是说，夸克是绑在弦的两端的，这使得它们永远也不能单独从核中被分割出来。这听上去 不错，但是他们计算到最后发现了一些古怪的东西。比如说，理论要求一个自旋为2的零质量粒子， 但这个粒子却在核子家谱中找不到位置(你可以想象一下，如果某位化学家找到了一种无法安插进周 期表里的元素，他将会如何抓狂？)。还有，理论还预言了一种比光速还要快的粒子，也即所谓的 “快 子”(tachyon)。大家可能会首先想到这违反相对论，但严格地说，在相对论中快子可以存在，只要 它的速度永远不降到光速以下！真正的麻烦在于，如果这种快子被引入量子场论，那么真空就不再 是场的最低能量态了，也就是说，连真空也会变得不稳定，它必将衰变成别的东西！这显然是胡说 八道。

 更令人无法理解的是，如果弦论想要自圆其说，它就必须要求我们的时空是26维的！平常的时 空我们都容易理解：它有3维空间，外加1维时间，那多出来的22维又是干什么的？这种引入多维空 间的理论以前也曾经出现过，如果大家还记得在我们的史话中曾经小小地出过一次场的，玻尔在哥 本哈根的助手克莱恩(Oskar Klein)，也许会想起他曾经把 “第五维 ”的思想引入薛定谔方程。克莱恩 从量子的角度出发，而在他之前，爱因斯坦的忠实追随者，德国数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza)从 相对论的角度也作出了同样的尝试。后来人们把这种理论统称为卡鲁扎-克莱恩理论(Kaluza-Klein Theory，或KK理论)。但这些理论最终都胎死腹中。的确很难想象，如何才能让大众相信，我们其实 生活在一个超过4维的空间中呢？

 最后，量子色动力学(QCD)的兴起使得弦论失去了最后一点吸引力。正如我们在前面所述，QCD 成功地攻占了强相互作用力，并占山为王，得到了大多数物理学家的认同。在这样的内外交困中， 最初的弦论很快就众叛亲离，被冷落到了角落中去。

 在弦论最惨淡的日子里，只有施瓦茨和谢尔克两个人坚持不懈地沿着这条道路前进。1971年， 施瓦茨和雷蒙(Pierre Ramond)等人合作，把原来需要26维的弦论简化为只需要10维。这里面初步引 入了所谓 “超对称 ”的思想，每个玻色子都对应于一个相应的费米子(玻色子是自旋为整数的粒子，如 光子。而费米子的自旋则为半整数，如电子。粗略地说，费米子是构成 “物质”的粒子，而玻色子则是 承载“作用力 ”的粒子)。与超对称的联盟使得弦论获得了前所未有的力量，使它可以同时处理费米子， 更重要的是，这使得理论中的一些难题(如快子)消失了，它在引力方面的光明前景也逐渐显现出来。 可惜的是，在弦论刚看到一线曙光的时候，谢尔克出师未捷身先死，他患有严重的糖尿病，于1980 年不幸去世。施瓦茨不得不转向伦敦玛丽皇后学院的迈克尔•格林(Michael Green)，两人最 终完成了超对称和弦论的结合。他们惊讶地发现，这个理论一下子犹如脱胎换骨，完成了一次强大 的升级。现在，老的 “弦论”已经死去了，新生的是威力无比的 “超弦”理论，这个 “超”的新头衔，是 “超 对称”册封给它的无上荣耀。

 当把他们的模型用于引力的时候，施瓦茨和格林狂喜得能听见自己的心跳声。老的弦论所预言 的那个自旋2质量0的粒子虽然在强子中找不到位置，但它却符合相对论！事实上，它就是传说中的 “引 力子”！在与超对称同盟后，新生的超弦活生生地吞并了另一支很有前途的军队，即所谓的 “超引力理 论”。现在，谢天谢地，在计算引力的时候，无穷大不再出现了！计算结果有限而且有意义！引力的 国防军整天警惕地防卫粒子的进攻，但当我们不再把粒子当作一个点，而是看成一条弦的时候，我 们就得以瞒天过海，暗渡陈仓，绕过那条苦心布置的无穷大防线，从而第一次深入到引力王国的纵 深地带。超弦的本意是处理强作用力，但现在它的注意力完全转向了引力：天哪，要是能征服引力， 别的还在话下吗？

 关于引力的计算完成于1982年前后，到了1984年，施瓦茨和格林打了一场关键的胜仗，使得超 弦惊动整个物理界：他们解决了所谓的 “反常”问题。本来在超弦中有无穷多种的对称性可供选择，但 施瓦茨和格林经过仔细检查后发现，只有在极其有限的对称形态中，理论才得以消除这些反常而得 以自洽。这样就使得我们能够认真地考察那几种特定的超弦理论，而不必同时对付无穷多的可能性。 更妙的是，筛选下来的那些群正好可以包容现有的规范场理论，还有粒子的标准模型！伟大的胜利！

“第一次超弦革命 ”由此爆发了，前不久还对超弦不屑一顾，极其冷落的物理界忽然像着了魔似 的，倾注出罕见的热情和关注。成百上千的人们争先恐后，前仆后继地投身于这一领域，以致于后 来格劳斯(David Gross)说： “在我的经历中，还从未见过对一个理论有过如此的狂热。 ”短短3年内， 超弦完成了一次极为漂亮的帝国反击战，将当年遭受的压抑之愤一吐为快。在这期间，像爱德华 •威顿，还有以格劳斯为首的 “普林斯顿超弦四重奏 ”小组都作出了极其重要的贡献，不过我们 没法详细描述了。网上关于超弦的资料繁多，如果有兴趣的读者可以参考这个详细的资料索引：

http://arxiv.org/abs/hep-th/0311044

 第一次革命过后，我们得到了这样一个图像：任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放 或者闭合(头尾相接而成环)的弦。当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子 (电子、光子……包括引力子！)。我们仍然生活在一个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！这就像那个着名的寓言--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着喜欢水，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，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。

曹天元（Capo） 2013-08-23 10:30:56