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理论物理学前沿中的哲学问题

  摘  要:规范场论是物理学领域内已成熟、被公认、最前沿的理论,比规范场论更进一步的发展是弦论,但是弦论还处于有待证实的研究阶段。从规范场论到弦论的发展,几乎代表了20世纪50年代以后理论物理学发展的主流。文章详细描述了从规范场论到弦理论的发展历程,并在此基础上挖掘了这段物理学的发展给哲学领域带来的新的问题和挑战。

  关键词:规范场论;弦论;哲学

  20世纪物理学的三大基石是量子力学、相对论和规范场论。规范场论是继麦克斯(James Maxwell)的电磁场理论、爱因斯坦(Albert Einstein)的引力场理论和狄拉克(P.A.M.Dirac)的量子理论之后的最为重要的基础物理理论。目前来看,规范场论是物理学领域内已成熟、被公认、最前沿的理论,其深层次的根本属性使得它处在一个最为独特的位置;比规范场论更进一步的发展是弦论,但是弦论目前还没有得到公认,还处于有待证实的研究阶段。从规范场论到弦论的发展,几乎代表了20世纪50年代以后理论物理学发展的主流。

  规范场论的观念“给人类对宇宙基本作用力和自然规律提供了理解”[1],被丁肇中(Samuel.C.C.Ting)赞誉为“是一个划时代的创作,不但成为今天粒子理论的基石,并且在相对论及纯数学上也有重大的意义”。弦论迫使物理学家们改变关于实在的观念,迫使物理学家重新审视事物最深层次的本性,迫使物理学家修正宇宙和时空的概念,等等。规范场论和弦论在哲学领域提出了新的问题和挑战。

  一、20世纪50年代之后物理学的统一之路

  20世纪50年代之后,物理学的发展经历了一个波澜壮阔的年代,以规范场论理论为重要物理学理论基础的大统一之路表现着风云变幻、错综复杂的发展历程。

  1954年,杨-米尔斯规范场论理论的提出可以说是在20世纪50年代之后物理学统一之路上迈出了最为关键的第一步。规范场论的思想最早由韦尔(H.Weyl)于1918年提出,当时规范场论的思想还没有受到科学家的高度重视。古老的电动力学可以被视为是基于U(1)规范对称性,但这并不是20世纪30年代人们发展量子电动力学时所采用的观点。1954年杨振宁和米尔斯发表了划时代经典论文《同位旋守恒和广义的规范不变》和《同位旋守恒和同位规范不变》。杨振宁和米尔斯构筑的规范理论所基于的不是电动力学中的简单U(1)规范群,而是同位旋守恒中的SU(2)规范群。他们希望这会成为强相互作用的理论。虽然当时很少有物理学家对此感兴趣,甚至有的物理学大师(例如泡利)对此抱有怀疑的态度,但是,循此开拓的路向,为规范场论恢复名誉起到关键的作用。

  20世纪60年代初,物理学家发现微观世界存在的“对称破缺”。这一发现为以规范场为核心的物理学的统一起到关键的推动作用。最初,杨-米尔斯规范场论理论并没有被物理学家们运用于任何已知相互作用中去;直到几年之后,物理学家们才开始将杨-米尔斯的想法用到弱相互作用中去。但是,杨-米尔斯方法无论应用到弱相互作用还是强相互作用中去,所遇到的主要障碍都是质量问题。质量项都是人为加入的,但这样做破坏了规范理论的逻辑基础,因为一旦加入质量,促成这些理论的定域对称性原理就被破坏了。20世纪60年代,物理学家发现拉氏量可能具有一些真空所不具有的对称性,这种特征被称为“对称破缺”。许多物理学家以为如果描述自然的场方程中的一个严格对称性自发破缺,那它将在实验上表现为近似对称性。[1]因此1961年由哥德斯通(Goldstone)提出,并在次年被哥德斯通、萨姆(Salam)及温伯格(Steven Weinberg)证明的每一个自发对称性破缺都必定伴随着一个无质量无自旋粒子,这被认为是一个可怕的挫折。因为大家都知道并不存在这种无质量的哥德斯通粒子。受这一失望的刺激,1964年西格斯(Higgs)试图找到一种突破哥德斯通定理的方法。他发现如果原先的对称性不是象同位旋那样的整体对称性,而是象当初的杨-米尔斯理论中的定域同位旋对称性那样的规范对称性,则哥德斯通定理将不成立。在那种情况下哥德斯通粒子仍然存在,但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量,从而使后者获得质量。

  20世纪60年代末,对称破缺和规范场论结合建立了弱电统一理论,为物理学的统一迈出了重要的一步。温伯格于1967年和萨拉姆于1968年各自将对称破缺引入弱相互作用和电磁相互作用统一的模型上。他们发现对称破缺其实是一种完全正确的理论,只不过被用到了错误的相互作用上。这些想法的真正用武之地不是强相互作用,而是弱及电磁相互作用。那里会有一个自发破缺的规范对称性,将导致一个有质量的规范玻色子,规范对称性将是严格的,无需人为地引进质量。所以,提出了SU(2)×U(1)规范群结构。这一模型建立在非阿贝尔自发破缺带西格斯机制的规范场论理论的基础上。这一理论是物理学基础的重大突破,理论中出现的矢量介子,就是规范场论量子,也是实际上已被观测到的重介子(带电)。SU(2)×U(1)规范理论,是关于轻子和强子的弱相互作用和电磁相互作用初步统一的理论,我们叫做弱电统一理论。它预言存在的中性流现象于1974年被证实,而建立在规范场论的弱电统一相互作用,被称为自然界的基础性的规律之二。格拉肖(G1ashow)早于1961年也提出了同样的模型。1979年,三位物理学家根据弱电统一理论预言了W+、W—和Z0的存在,并于1983年由意大利物理学家鲁比亚(W.C.Rubbia)和荷兰物理学家范德梅尔(S.van der Meer)发现,证实了弱电统一理论的正确性。因此,格拉肖、萨拉姆和温伯格因弱电统一理论获得1979年诺贝尔物理学奖,这是直接基于规范场论的科学理论或科学发现的第一个诺贝尔奖。鲁比亚和范德梅尔因发现弱相互作用的传递者场粒子W+和Z0的大型工程作出了决定性贡献而获得1984年诺贝尔物理学奖,这是直接基于规范场论的科学理论或科学发现的第二个诺贝尔奖。

  1972年,荷兰科学家特-霍夫特(Gerardus't Hooft)和费尔特曼(Martinus J.G.Veltman)的工作具有里程碑性的意义。弱电统一理论纳入了规范场论理论的框架,可是这个理论的规范场论矢量介子质量问题未能解决,也是未能重整化的。它们证明有一种规范场论理论是可重整化的,即具有自发破缺的规范场论是可重整的和幺正的。自发破缺机制有好些人研究过,最著名的成果是西格斯证明的标量场耦合到规范场论而使定域规范对称自发破缺。由于连续对称的自发破缺伴随出现哥德斯通粒子,零质量的规范场论量子“吃”掉了这种场量子而带

  有质量。这种机制,现今称为西格斯机制,引入大标量场称为西格斯场,引入这种机制的规范场论在理论上成功地解决了规范场论量子的质量问题、重整化问题。特-霍夫特和费尔特曼的工作为建立以规范场为基础的标准体系奠定了基础,他二人也因理论上解释了亚原子粒子之间电弱相互作用的量子结构而获得1999年诺贝尔物理学奖,这是直接基于规范场论的科学理论或科学发现的第三个诺贝尔奖。

  重整化问题的解决对建立标准模型起到非常关键的作用,使得以规范场为基础的标准模型得以建立。众所周知,强作用力就是原子核内起维系作用的力量,它将质子和中子中的夸克束缚在一起,并将原子中的质子和中子束缚在一起。美国加利福尼亚大学的科学家格罗斯(David J.Gross)、加利福尼亚理工学院的波利茨(H.David Politzer)和麻省理工学院的威尔茨克((Frank Wilczek)对他们数字计算的解释说明夸克之间越接近,强作用力越弱。当夸克之间非常接近时,强作用力是如此之弱,以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”,即渐近不缚性。与此相反,当夸克之间的距离越大时,强作用力就越强。这种特性可以比喻为一种橡皮圈,橡皮圈拉得越长,力量就会越大。格罗斯、波利茨和威尔茨克于1973年通过一个完善的数学模型公布了这一发现。这一发现导致了一个全新的理论,即量子色动力学。这一理论对标准模型作出了重要贡献。标准模型形容了与电磁力、强作用

  力、弱作用力有关的所有物理现象。在量子色动力学家的帮助下,物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下才会表现为自由粒子。标准模型是继弱电模型之后在物理学统一之路上最重要的一次理论突破。今天,标准模型早已成为粒子物理学的主要理论,它的很多预言不断为一个又一个激动人心的实验成果所证实。2004年诺贝尔物理学奖授予格罗斯、波利茨和威尔茨克,以表彰他们发现了强相互作用理论中的“渐近自由”现象,这是直

  接基于规范场论的科学理论或科学发现的第四个诺贝尔奖。

  在这里,我们必须提及的是,规范场论的研究直接导致了四个诺贝尔物理学奖,事实上,间接地基于规范场论的科学理论或科学发现而获得诺贝尔物理学奖的更多。

  但是,我们要知道,标准模型并不是一个终点。标准模型是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴,但是没有描述重力。为了将引力纳入到“弱一电一强”的理论模型之中,20世纪70年代物理学家提出了弦理论。1970年代初提出的弦理论源于强子物理。后来发现,在强相互作用中包含不存在的质量为零、自旋为2的粒子。如果把这个粒子解释为引力子,这类理论就有可能把已知的夸克-轻子及其四种基本相互作用统一起来,同时解决量子引力问题。20世纪80年代和90年代中期以及世纪之交,弦理论有了重大进展。现在知道,超弦有五类,它们有可能通过M理论相互统一起来。于是,有人认为,这是TOE(Theory of Everything);也有人认为,这个理论一旦完成,理论物理就基本终结了。

  20世纪的物理学三大理论基础分别向两大方向迈进。一个方向是沿着量子理论的方向走向微观领域,形成粒子物理学;另一个方向是沿着相对论的方向走向宇观领域,形成宇宙物理学。这两大领域在一个新的理论框架——超弦理论——内又相遇在一起,相遇的焦点恰恰又是规范场论理论。所以说,规范场论这一思想经过了五十多年的发展,目前在现代基本粒子物理学和宇宙物理学中又一次获得了非常重要的地位,以规范场论为基石的粒子物理学

  和宇宙物理学有着异曲同工之妙。

  至此,我们能够看到,引力场就是在局部广义时空坐标变换下协变的规范场论;电磁场是U(1)规范场论,一种最简单的规范场论;弱相互作用是SU(2)规范场论;强相互作用是SU(3)规范场论;弱电统一理论是SU(2)×U(1)规范场论;标准模型最直接的做法是选用这两者的乘积SU(3)×SU(2)×U(1)作为规范对称群,也是一种规范理论。这就不得不有人们想到:是否物理学的统一之路归于“规范场论”呢?

  二、新的问题与挑战:从规范场论到超弦理论

  从规范场论到弦论的发展,几乎代表了20世纪50年代以后理论物理学发展的主流,同时,从规范场到弦论理论特性的转变也对传统的哲学观念提出了新的问题和挑战。

  (一)、量子力学和广义相对论:“冲突”还是“统一”?

  弦理论是20世纪70年代以来物理学革命性发现的自然产物,也是在物理学理论相互冲突的背景下走向结合的产物。这种冲突在过去的世纪里已经不是第一次出现了。

  第一次冲突早在19世纪末就出现了。根据牛顿的运动定律,如果有人跑得足够快,就能赶上远去的光束;而根据麦克斯韦电磁学理论,谁也跑不过光。1905年爱因斯坦通过狭义相对论解决了这个矛盾,并彻底推翻了我们对空间和时间的认识,时空不再牢固不变而是以灵活多变的结构出现,其形式和表现依赖于运动的状态。

  第二次冲突在狭义相对论诞生后不久就出现了。根据狭义相对论,任何物体(包括任何形式的影响和干扰)都不可能跑得比光快;而根据牛顿引力理论却存在一种顺势通过巨大空间距离的作用。1915年爱因斯坦通过广义相对论解决了这个矛盾,又一次改变了我们对时空的认识:时空不仅受运动状态的影响,而且在物质和能量出现时,还会发生弯曲。

  第三次冲突在广义相对论和量子力学诞生后出现了。这种冲突表现在:

  (1)广义相对论和量子力学处理问题的领域不同。广义相对论为我们从大尺度认识宇宙提供了理论框架,如横行、星系、星系团等大而重的的东西;量子力学为我们从小尺度认识宇宙提供了理论框架,如原子、分子、夸克等小而轻的东西。几十年来,两个理论的几乎所有预言都在实验上被物理学家以难以想象的精度证实了。但是,当处理“小而重”的东西时,量子力学和广义相对论走到了一起都得到了无聊的结果。例如,在黑洞的中央,大量物质被挤压到了一个极小空间里;在大爆炸的时刻,整个宇宙从比沙子还小的微尘中爆发出来。这个时候量子力学与广义相对论之间形成水与火的对抗。初步看来,这种对抗在于两大理论适用的范围。

  (2)“在微观尺度上,量子力学和新的不确定性原理与广义相对论核心的空间(以及时间)的光滑几何模型是针锋相对的。”[2]广义相对论与量子力学不同的适应范围造成的冲突只是表面的,其更根本的冲突还在于两大基础理论和新思想的冲突。广义相对论中引力场通过空间的弯曲表现出来,在这里空间是光滑的集合概念;而量子力学里量子涨落通过周围空间越来越强烈的扭曲表现出来,这种小距离尺度剧烈的量子涨落使得空间表现出凸凹不平。

  (3)广义相对论与量子力学线性、非线性的对立。正如格林(Brain Green)所说,广义相对论和量子力学的冲突只是发生在宇宙相当隐蔽的地方。物理学家在典型尺度远远超过普朗克长度的问题上快乐地运用广义相对论和量子力学。而另外一些物理学家则深信,这两大块物理学基石根本搭配不起来。

  这个冲突目前成为物理学的中心问题。到了80年代中期,弦理论带来了一种解决办法,缓解了二者之间的紧张关系。在弦理论中,由于弦的延展性(一维而不是一个点),引力和光滑的时空观念在比弦尺度还小的距离下失去了意义,时空量子涨落也由“弦几何”代替了。在弦理论中,广义相对论和量子力学不但不是对立的,而且是“相互需要的”[3]“根据超弦理论,‘大’定律与‘小’定律的结合,不但是幸福的,也是躲都躲不开的”。[4]

  为了一个能把所有的自然力、所有的物质编织成一幅锦绣图画的统一的物理学理论,爱因斯坦曾追寻了30年。今天,超弦给我们宣称了一幅迷人的统一图景。弦理论已经很好地解决了黑洞量子力学问题的一些疑难,但是用它来说明宇宙大爆炸的初始奇点仍是一个未解决的大问题。在超弦理论获得实验证实之前,广义相对论与量子力学是冲突还是相融的呢?

  笔者认为,目前量子力学和广义相对论的“冲突”是客观存在的,但是这种“冲突”是暂时的。我们相信,科学的发展没有尽头,但是科学理论会逐渐走向统一。从物理学的发展来看,17世纪,伽利略研究地面上物体的运动,打开了通向近代物理学的大门。牛顿“站在巨人们的肩膀上”,把地面上物体的运动和天体运动统一起来,揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律,建立了经典力学体系,实现了物理学史上第一次大综合。18世纪,经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究,经典热力学和经典统计力学正式确立,从而把热与能、热运动的宏观表现与微观机制统一起来,实现了物理学史上的第二次大综合。19世纪,麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上,经过深入研究,把电、磁、光统一起来,建立了经典电磁理论,预言了电磁波的存在,实现了物理学史上第三次大综合。至此,经典力学、经典统计力学和经典电磁理论形成了一个完整的经典物理学体系,一座金碧辉煌的物理学大厦巍然耸立。20世纪,爱因斯坦的狭义相对论揭示了物质与运动的统一性、时间与空间的统一性、动量和能量的统一性,完成了新的统一。20世纪,科学家在物理学统一之路上艰难地探索,作了一次又一次的尝试,超弦理论就是其中之一。所以说,从物理学的发展脉络可以看出,量子力学和广义相对论的“统一”是科学发展的必然趋势。但是,我们还不敢说,规范场论和超弦理论哪个是统一的归宿,这都有待于科学的进一步发展和实验的进一步证实。

  (二)、物质组成的最终单元:“点状粒子”还是“一维线圈”?

  公元前5世纪,希腊哲学家德谟克利特认为,大量的物质都应该是少量不同的基本材料组合的结果,这种基本的组成成分,是坚硬的、固态的、看不见的、彼此之间只有形式和排列方式不同的微小粒子,这种基本粒子被称之为“原子”,具有“不可分割性”和“不可毁灭性”。2000多年过去了,尽管那些最基本的物质单元已经经历了无数认识的转变,但是,人们依旧认为它还是正确的。

  20世纪30年代初,J.J.汤姆逊(Joseph John Thomson)、卢瑟福(Rutherford)、玻尔(Niels Bohr)、查德威克(Nick Chadwick)的工作使我们认识到原子还不是什么最基本的物质成分,它有一个包含着质子和中子的核,核外还绕有一群旋转的电子。曾有一段时间,许多物理学家认为质子、中子和电子就是希腊人所认为的“最基本的粒子”。“基本粒子”的概念初次得到更新。

  20世纪60年代末,斯坦福直线加速器中心的实验家利用强大的技术力量探索了物质的微观层次,发现质子和中子也都不是基本的,反过来,证明它们都是由更小的粒子——夸克(夸克有两种,一种叫上夸克,另一种叫下夸克)——构成的。似乎天地间的一切事物都是由电子、上夸克、下夸克的组合形成的,从实验上还看不出它们还由更小的东西构成的。20世纪50年代中期由雷恩(Frederick Reince)和柯万(Clyde Cowan)发现了的实验证据,被认为是第四种基本粒子。

  令人惊奇的是,物理学家凭着前所未有的技术力量,不断地用越来越大的能量将物质击碎,不断地发现新粒子,粒子的清单越来越长,以至于物理学家将它们成分组,构成三个“族”。每一族包括2个夸克和一个电子,或者电子的伙伴,以及1个相应的中微子。到目前为止,我们所遇到的每一样事物——不论是自然出现的还是人工将原子粉碎后产生的——都是由这三族粒子和它们的反物质伙伴组合成的粒子组成的。“根据现代思想,可能称得上‘根本’的粒子是轻子与夸克(皆为费米子),及光子、胶子、引力子和一些与弱相互作用有关的粒子。”[5]

  需要强调的事,粒子的概念已经发生了很大的变化,无疑,德谟克利特肯定是认不出它来了。新的粒子观念丧失了原来的每个最重要的标准属性:永恒性和个体身份。所有的粒子都可以产生与消灭,这是粒子最基本、最普通的性质,这早在70年前就发现并从理论上认识到了,这意味着粒子不再具有永恒性。另一方面,物理学家发现许多粒子成双成对地出现,反粒子会随着正粒子的湮灭而湮灭,粒子的个体性不复存在。一些粒子的永恒性和个体性的

  丧失,最起码还是稳定的;更有甚者,一些粒子连稳定性都丧失掉了,它会衰变而成为其他的粒子。

  弦理论带来了强有力的概念。弦理论认为,如果以更高的精度去考虑粒子,会发现他们并不是点状的,而是由一维的小环构成。每个粒子像一根无限纤细的橡皮筋或一根振荡、跳动的细线,被称之为“弦”。弦理论的弦小得可怜,平均大约是普朗克长度的尺寸,所以即使用仪器来检查,也显得像点一样。弦理论在物理学史上第一次提供了一个能揭示宇宙赖以构成的所有基本特征的框架,因此有时人们说它可能是一个“包罗万象的理论”或“终极理

  论”。

  如果弦理论是一个最深层的理论——是其他一切理论的基础,不需要也不允许有更基本的理论来解释它。那么应该认为“弦”就是自然界“最基本的粒子”,在古希腊人本来的意义上,也就是不可分的基元。绝对的最小的构成万物的基元的弦,代表着微观世界数不清的亚结构层次走到了尽头。“从这点看,弦即使在空间延伸,问他们的组成也是没有意义的。弦就是弦,没有比它更基本的东西,所以不能把它描写成别的任何物质组成的东西。”[6]如果弦理论不被认为是一个极限,那么,“弦”有可能还是由更深层的粒子构成。如果弦是由更小的事物组成的,他们就不会是基本的,相反,如果什么东西构成了弦,它就当然可以取代弦的位置,而成为更基本的宇宙基元。这种观点基于目前现实情况,我们还不知道弦理论是否是正确的大自然的最后理论。而且,历史告诉我们,每当对宇宙的认识深入一步,总会发现物质还有更微观的层次,还有更小的组成元素。弦理论像提出了这种可能性,但还没有确实的证据。既然弦理论证明了传统的零维点粒子是一种数学的理想化,而不是真实世界的再现,那么无限细小的一维弦圈会不会是数学理想呢?1995年惠藤(Edward Witten)等人发动第二次超弦革命,提出弦理论还包括着二维的膜、三维的体,甚至更奇异的怪物等等。到底哪一种才是“最基本的粒子”呢?“要么一定有少量至今尚未发现的粒子是真正的基本粒

  子,实验室中看到的粒子皆由他们所构成;要么就是整个基本粒子概念没有任何意义。”[7]

  简言之,物质组成的最终单元到底是“点状粒子”还是“一维线圈”?根据目前的理论发展来看,大家姑且认为是“点状粒子”,但这并不意味着它一定是真理。我们期待着超弦理论被证实的那一天,一旦超弦理论获得实验支持,我们对物质组成的认识将会有一个根本性的变化。

  (三)、真实生活时空:“11维”还是“4维”?

  牛顿理论构建了三维的空间和一维的时间,空间和时间相互独立,空间是平直的。爱因斯坦相对论的建立鼓励我们把时间看成另一维,一起构成宇宙的四维时空,二者相互联系。宇宙的这个特征是基本的、一贯的,也是普遍存在的,而且似乎不成什么问题。

  然而,1919年,波兰的数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza)向显然的事实提出了挑战——宇宙也许不只有3个空间维,而是有更多。卡鲁扎的建议变革了我们物理学定律的体系,以至于至今还为他的远见感到震惊。但是,这个建议如何能与我们看到的三维空间这一显然的事实相协调?这个问题在卡鲁扎的理论中没有明确的回答。

  1926年,瑞典数学家克莱茵(Oskar Klein)把理论更具体化了,答案也明确了。那就是,我们的宇宙空间结构既有延展的维,也有卷缩的维。延展的维很大,能直接显露出来;卷缩的维很小,很难看到。

  “弦理论动摇现代物理学基础是从宇宙的维数开始的——那个我们认为不是问题的数,现在正发生着戏剧性的而且令人信服的改变”。[8]弦理论“要求”宇宙有更多的空间维。

  那些看不见的维多小才算“小”呢?格林声称,我们最先进的仪器能探测小到百亿亿分之一米的结构。如果那些维度卷缩得比这个尺度还小,我们就看不见了。1926年,克莱茵结合卡鲁扎的原始想法和量子力学思想,计算结果表明,卷缩的维可能小到普朗克长度,是实验远远不可能达到的。

  弦理论学家计算表明,弦能在9个独立空间方向振动。我们熟悉的3个展开的空间维以外还有6个卷缩的空间维。“多维的存在,不仅是一种假定(如卡鲁扎、克莱茵和他们的追随者那样),更是弦理论的要求。为了让弦理论有意义,宇宙应该是lO维的:9个空间维,1个时间维”。[9]

  20世纪90年代,惠藤根据本人的发现和前人的一些结果,提出了令人信服的证据,说明弦理论的近似计算实际上“丢失”了一个空间维。惠藤的结论令多数弦理论家大吃一惊:弦理论实际需要11维,10维的空间和l维的时间。

  这样一来,自然就会有人问:为什么其中的3个空间维和1个时间维是大的展开的维,而其余6个维或7个维是小的卷缩的维?为什么它们不都展开或卷缩?弦理论需要那么多空间维,会不会有更多的时间维呢?那样不正好与多维空间对应吗?多维的空间和多维的时间意味着什么呢?

  进一步讲,牛顿理论的时空是平直的,爱因斯坦理论的时空是可以弯曲的,但是,它们的空间结构不会破裂。从广义相对论来看,广义相对论的方程牢牢植根于黎曼几何,其基本的数学形式要求空间背景是光滑的——这是一个有严格数学意义的概念,不过从它的寻常意思也能把握某种基本特征:没有褶皱,没有针眼,没有一小块一小块“粘”起来的痕迹,当然也没有破裂。

  随着量子力学与引力论的融合以及弦理论的发现,第一次确定地证明某些物理背景下空间结构可能破裂。惠藤用一种特别的方法说明空间破裂不会产生灾难性后果的微观原因,而且暴露了空间破裂时点粒子理论和弦理论间的差异:在破裂处弦有两种运动形式,而点粒子只有一种。

  毕竟空间就是空间,不论它卷曲成卡-丘形式,还是展开成我们在星光灿烂的夜晚所感觉的茫茫宇宙,也无论卷缩的维与展开的维之间有多大区别,值得肯定的是空间破裂一定有着更广泛的适用性。所以,空间能破裂而不产生物理学灾难,但是空间破裂时会发生什么事情呢?对我们的生活有什么影响呢?这样的破裂在我们生活的三维空间也会发生吗?

  笔者相信物质世界的奥妙,我们生活的真实空间不会简单的是4维,因为任何理论都不会是“空穴来风”,现在既然有人提出了10维或11维时空理论而且能够风靡一时,自然有一定的道理。当然,这种看法仅仅是一种信仰而已,物质世界的新的面目有待新的科学革命给我们展示。

  总之,规范场论和弦理论都是划时代的创作。在从规范场论到弦理论发展的进程中,萌发了许多哲学方面的新的问题和挑战,这些新的问题和挑战不仅仅丰富了我们的哲学观,而且发展了哲学观。在物理学统一之路和理论物理学进一步发展之路上,将会有越来越多的新问题和挑战被提出,这些都是哲学观新的意蕴和内涵。

  【注释】

  [1]这是非常错误的,但那正是当时所认为的。

  【参考文献】

  [1]转引高策.走在时代前面的科学家——杨振宁[M].太原:山西科学技术出版社,1999.5.

  [2][3][4][6儿8][9]格林.宇宙的琴弦[M].长沙:湖南科学技术出版社,123,4,4,135,178,196.

  [5][7]罗杰·G·牛顿.探求万物之理[M].李香莲译.杨建邺校.上海:上海科技教育出版社,2000.212,210.

  [10]桂起权,贺天平.超弦——大自然的琴弦[M].科技导报,2003(3).

  [11]贺天平,郭贵春.量子力学的模态解释[J].哲学研究,2004(10).

  [12]贺天平.哈金的实验实在论思想[J].科学技术与辩证法,2005(2)

 

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