科学:弦论未来―物理学家布赖恩访谈录
news.dayoo.com 2004年08月22日 14:59 来源: 科技之光
过去一谈到弦论，人们就感到头晕脑胀，就算是弦论专家也烦恼不已；而其他物理学家则在一旁嘲笑它不能做出实验预测；普通人更是对它一无所知。科学家难以同外界说明为什么弦论如此刺激：为什么它有可能实现爱因斯坦对大统一理论的梦想，为什么它有助于我们深入了解“宇宙为何存在”这样深奥的问题。然而从1990年代中期开始，理论开始在观念上统合在一起，而且出现了一些可检验但还不够精确的预测。外界对弦论的关注也随之升温。今年7月，伍迪·艾伦在《纽约人》杂志的专栏上以嘲弄弦论为题材——也许这是第一次有人用“卡拉比-丘”空间理论来谈论办公室恋情。 谈到弦论的普及，恐怕没有人能比得上布赖恩·格林。他是哥伦比亚大学的物理学教授，也是弦论研究的一员大将。
他于1999年出版的《优雅的宇宙》（The Elegant Universe）一书在《纽约时报》的畅销书排行榜上名列第四，并入围了普利策奖的最终评选。格林是美国公共电视网Nova系列专辑的主持人，而他近期刚刚完成了一本关于空间和时间本质的书。《科学美国人》的编辑George Musser最近和格林边吃细弦般的意大利面边聊弦论，以下是这次“餐访”的纪要。
SA：有时我们的读者在听到“弦论”或“宇宙论”时，他们会两手一摊说：“我永远也搞不懂它。”
格林：我的确知道，人们在一开始谈到弦论或者宇宙论时会感到相当的吃力。我和许多人聊过，但我发现他们对于这些概念的基本兴趣是那么的广泛和深刻，因此，比起其他更容易的题材，人们愿意在这方面多花点心思。
SA： 我注意到在《优雅的宇宙》一书中，你在很多地方是先扼要介绍物理概念，然后才开始详细论述。
实现突破与否，往往就取决于一点点洞察力。
格林：我发现这个法子很管用，尤其是对于那些比较难懂的章节。这样一来读者就可以选择了：如果你只需要简要的说明，这就够了，你可以跳过底下比较难的部分；如果你不满足，你可以继续读下去。我喜欢用多种方式来说明问题，因为我认为，当你遇到抽象的概念时，你需要更多的方式来了解它们。从科学观点来看，如果你死守一条路不放，那么你在研究上的突破能力就会受到影响。我就是这样理解突破性的：大家都从这个方向看问题，而你却从后面看过去。不同的思路往往可以发现全新的东西。
SA： 能不能给我们提供一些这种“走后门”的例子？
格林： 嗯，最好的例子也许是维顿（Edward Witten）的突破。维顿只是走上山顶往下看，他看到了其他人看不到的那些关联，因而把此前人们认为完全不同的五种弦论统一起来。其实那些东西都是现存的，他只不过是换了一个视角，就“砰”地一下把它们全装进去了。这就是天才。 对我而言，这意味着一个基本的发现。从某种意义上说，是宇宙在引导我们走向真理，因为正是这些真理在支配着我们所看到的一切。如果我们受控于我们所看到的东西，那么我们就被引导到同一个方向。因此，实现突破与否，往往就取决于一点点洞察力，无论是真的洞察力还是数学上的洞察力，看是否能够将东西以不同的方式结合起来。
SA： 如果没有天才，你认为我们会有这些发现吗？
格林：嗯，这很难说。就弦论而言，我认为会的，因为里面的谜正在一点一点地变得清晰起来。也许会晚5年或10年，但我认为这些结果还是会出现。不过对于广义相对论，我就不知道了。广义相对论实在是一个大飞跃，是重新思考空间、时间和引力的里程碑。假如没有爱因斯坦，我还真不知道它会在什么时候以什么主式出现。
SA：在弦论研究中，你认为是否存在类似的大飞跃？
格林：我觉得我们还在等待这样一种大飞跃的出现。弦论是由许多小点子汇集而成的，许多人都做出了贡献，这样才慢慢连结成宏大的理论结构。但是，高居这个大厦顶端的究竟是怎么样的概念？我们现在还不得而知。一旦有一天我们真的搞清楚了，我相信它将成为闪耀的灯塔，将照亮整个结构，而且还将解答那些尚未解决的关键问题。
相对论是对时间和空间重新思考的里程碑，我们正在等待另一次这样的飞跃。
SA：让我们来谈谈环量子理论与其他一些理论。你总是说弦论是唯一的量子引力论，你现在还这么认为吗？
格林：呃，我认为弦论是目前最有趣的理论。平心而论，近来环量子引力阵营取得了重大的进展。但我还是觉得存在很多非常基本的问题没有得到解答，或者说答案还不能令我满意。但它的确是个可能成功的理论，有那么多极有天赋的人从事这项研究，这是很好的事。我希望，终究我们是在发展同一套理论，只是所采用的角度不同而已，这也是施莫林（Lee Smolin）所鼓吹的。在通往量子力学的路上，我们走我们的，他们走他们的，两条路完全有可能在某个地方相会。因为事实证明，很多他们所长正是我们所短，而我们所长正是他们所短。弦论的一个弱点是所谓的背景依赖（background-dependent）。我们必须假定一个弦赖以运动的时空。也许人们希望从真正的量子引力论的基本方程中能导出这样一个时空。他们（环量子引力研究者）的理论中的确有一种“背景独立”的数学结构，从中可以自然地推导出时空的存在。从另一方面讲，我们（弦论研究者）可以在大尺度的结构上，直接和爱因斯坦广义相对论连接起来。我们可以从方程式看到这一点，而他们要和普通的引力相连接就很困难。这样很自然地，我们希望把两边的长处结合起来。
SA：在这方面有什么进展吗？
格林：很缓慢。很少有人同时精通两边的理论。两个体系都太庞大，就算你单在你的理论上花一辈子时间，竭尽你的每一分每一秒，也仍然无法知道这个体系的所有进展。但是现在已经有不少人在沿着这个方向走，思考着这方面的问题，相互间的讨论也已经开始。
SA：如果真的存在这种“背景依赖”，那么要如何才能真正深刻地理解时间和空间呢？
格林：嗯，我们可以逐步解决这个难题。比如说，虽然我们还不能脱离背景依赖，我们还是发现了镜像对称性这样的性质，也说是说两种时空可以有相同的一套物理定律。我们还发现了时空的拓扑变化：空间以传统上不可置信的方式演化。我们还发现微观世界中起决定作用的可能是非对易几何，在那里坐标不再是实数，坐标之间的乘积取决于乘操作的顺序。这就是说，我们可以获得许多关于空间的暗示。你会隐约在这时看见一点，那里又看见一点，还有它们底下到底是怎么一回事。但是我认为，如果没有“背景独立”的数学结构，将很难把这些点点滴滴凑成一个整体。
置身于弦宇宙，时空可能像这样：另有6维卷曲在所谓的“卡拉比-丘空间”内。
SA：镜像对称性真是太深奥了，它居然把时空几何学和物理定律隔离开来，可过去我们一直认为这二者的联系就是爱因斯坦说的那样。
格林：你说的没错。但是我们并没有把二者完全分割开来。镜像对称只是告诉你遗漏了事情的另一半。几何学和物理定律是紧密相连的，但它就像是一副对折开的地图。我们不应该使用物理定律和几何学这个说法。真正的应该是物理定律与几何-几何，至于你愿意使用哪一种几何是你自己的事情。有时候使用某一种几何能让你看到更多深入的东西。这里我们又一次看到，可以用不同的方式来看同一个物理系统：两套几何学对应同一套物理定律。对于某些物理和几何系统来说，人们已经发现只使用一种几何学无法回答很多数学上的问题。在引入镜像对称之后，我们突然发现，那些深奥无比的问题一下子变得很简单了。
理论上可以导出许多不同的宇宙，其中我们的宇宙似乎是唯一适合我们生存的。
SA：弦论以及一般的现代物理学，似乎逼近一个非如此不可的逻辑结构；理论如此发展是因为再无他路可走。一方面，这与“人择”的方向相反；但是另一方面，理论还是有弹性引导你到“人择”的方向。
格林：这种弹性是否存在还不好说。它可能是我们缺乏全面理解而人为造成的假像。不过以我目前所了解的来推断，弦论确实可以导出许多不同的宇宙。我们的宇宙可能只是其中之一，而且不见得有多么特殊。因此，你说得没错，这与追求一个绝对的、没有商量余地的目标是有矛盾的。
置身于弦宇宙，时空可能像这样：另有6维卷曲在所谓的“卡拉比-丘空间”内。
SA：如果有研究生还在摸索，你如何在方向上引导他们？
格林：嗯，我想大的问题就是我们刚才谈到的那些。我们是否能穷究时间和空间的来源？我们能否搞清楚弦论或M理论的基本思想？我们能否证明这个基本思想能导出一个独特的理论？这个独特理论的独特解，也就是我们所知的这个世界？有没有可能借助天文观测或加速器实验来验证这些思想？ 甚至，我们能不能回过头来，了解为什么量子力学必然是我们所知世界不可或缺的一部分？任何可能成功的理论在其深层都得依赖一些东西：比如时间、空间、量子力学等，这其中有哪些是真正关键的，有哪些是可以省略掉仍能导出与我们世界相类似的结果？
物理学是否有可能走另一条路，虽然面貌完全不同，但却能够解释所有的实验？我不知道，但是我觉得这是个很有意思的问题。从数据和数学逻辑出发，有多少我们认为基本的东西是唯一可能的结论？又有多少可以有其他可能性，而我们不过是恰恰发现了其中之一而已？在别的星球上的生物会不会有与我们完全不同的物理定律，而那里的物理学与我们一样成功？
[何毓嵩/译 曾少立/校]
2.
创造奇迹——著名物理学家杨振宁讲述挑战守恒(2008.12) 杨振宁（著名物理学家诺贝尔物理学奖获得者）：50年前， 1957年1月，吴健雄宣布她的实验证实了在β衰变中宇称不守恒（图1）。
一个月以后的2月2日，美国物理学会在纽约客旅馆举行周年大会。事后对于那天大会的情形有这样一个报道：最大的演讲厅挤满了人，有人几乎从大厅中央悬灯的铁缆上爬下来。
在这次会议上作报告的
焦点人物，除了吴健雄和两位低温物理学家之外，还有时年35岁的华裔物理学家杨振宁，他在会上宣读的与李政道合作的那篇论文，给国际物理学界带来了一场威力不亚于原子弹爆炸的冲击。为什么这篇论文的影响如此巨大？这要从他们所从事的粒子物理研究说起。
杨振宁：第二次世界大战之前，物理实验都是小规模的，一个最好的例子是1897年J.J.汤姆森的仪器。J.J.汤姆森是一个英国人，他用一个很小的仪器，通过一个实验，发现了世界上第一个基本粒子（图2）。
今天我们知道，每一个人的身上，任何一颗小东西里头都有亿万个电子，电子是最常见的基本粒子。人类第一次知道有这么一种基本粒子，就是汤姆森用这个小仪器发现的。这个仪器当然有历史价值，今天它被保存在大英博物馆里头。
第二次世界大战之后，核物理成为非常热门的研究领域，制造了越来越大的加速器。第二次世界大战以后第一个最大的加速器，叫作宇宙线级加速器。你看它的左下角，还有一个人站在那儿，你就可以知道它有多么大（图3）。
当时它是世界最大的，可以达到三个GeV的能量。今天世界最大的加速器实验室，在瑞士日内瓦，是一个国际的实验室，有几千个工作人员在里面工作（图4）。
实验室所在的地方，地下差不多一百米深的地方有两个隧道，基本粒子就在这些隧道里头被加速碰撞，然后物理学家研究这些碰撞出来的碎片，这就是今天实验的情形。这个机器所能达到的能量是宇宙线级加速器能量的好几千倍。
构成世界的最小微粒究竟是什么？在很长一段时间里，人们一直以为应该是原子；到20世纪初，科学家们在原子中发现了质子、中子和电子，当时很多人以为，这些粒子已经不可拆分了；然而基本粒子的发现却颠覆了这一观念。随着科学仪器的不断更新，兴奋的物理学家们就像剥洋葱一样，一层一层地将更小的微粒剥离出来。
杨振宁：有了当时这些加速器，再加上宇宙射线，很多从前不为人知的基本粒子都被发现了。这些粒子是料想不到的，所以被称为奇异粒子，strange particles。第一个发现的新的基本粒子，也叫奇异粒子，叫作π。它从上边下来，在拐弯的地方衰变成两个粒子，π变成了一个μ跟一个问号，问号是没有电荷的，中文叫中微子（图5），走到左边去的。这个技术是胶片，是一种特别灵敏的胶片，它是上世纪40年代英国依尔福德公司所发展的新技术，这个新的技术对于物理学当时的研究起了重大的作用。
1950年～1965年之间，鉴定奇异粒子及研究它们的性质，成为基本物理学的主流研究。要研究这些基本粒子是不是带电的，是正电还是负电，还是中性的，它们的质量是什么，它们是怎样衰变，等等，这些都是当时需要研究的题目。
20世纪50年代，人们先后发现了两个神秘的粒子，θ和τ，它们的基本特征十分相似，衰变方式却大相径庭，这让科学家们大惑不解。θ和τ究竟是什么关系？是近亲？是孪生兄弟？还是根本就是同一个粒子呢？
杨振宁：1954年到1957年间最激烈的辩论就是这个θ-τ之谜。从胶片里头,或者用气泡室看，θ跟τ是完全不一样的。可是越来越多准确的实验指出θ跟τ有相同的质量，而且这个质量测量越来越准确。两个质子，通常它的质量是差得很多的，差几十倍，甚至几百倍，这么样接近的是很少有的；而且θ跟τ的寿命又是一样的。所以呢，它们似乎其实是一个粒子。一个基本粒子可以变成各种不同的衰变的形式，这个是司空见惯的，θ跟τ似乎是正在向那个方向走。另外一方面是每一个粒子都有一个特点、特性，叫作宇称，并有一个基本定律，这个基本定律叫作宇称守恒。什么叫宇称守恒呢？就是说在衰变之中，原来的宇称跟后来的宇称必须是一样的，这就叫宇称守恒。
宇称是一个专门的物理概念，用来表达左右对称或者不对称的性质。π的宇称是-1，如果宇称守恒的话，θ衰变成两个π，它的宇称应该是-1的平方，+1；而τ衰变成三个π，它的宇称就等于-1的三次方，-1。这样的话，θ跟τ的宇称就是不一样的。
杨振宁：这里头有一个麻烦的地方，就是在τ这个情形之下另外还有一种宇称，叫作轨道宇称。所以第一步先要解决在τ里有没有轨道宇称，这是当时热衷的题目。这就引出来了一个方法，叫达利兹的图。达利兹是英国一个非常重要的理论物理学家，他发明了一个图，你每看见一个τ，就可以在这个图里找出来、画出来一点，所以从这个图的迹象可以看见有没有轨道宇称（图6）。
1956年4月3日到6日，在国际高能物理会议上，达利兹总结了他前两年的工作，指出几百个τ衰变的研究在达利兹图里形成了一个均匀的分布。均匀的分布就是说没有轨道宇称，τ根据宇称守恒，没有轨道宇称，它的宇称就应该是-1的三次方，是-1，跟θ的宇称是不一样的，所以θ跟τ不是同一个粒子。
要想证明θ和τ是同一个粒子，除非推翻“宇称守恒”这条定律。然而在当时的世界物理学界，“宇称不守恒”是绝对不可思议的事情。
杨振宁：在这个情形之下就会有人问了，说是不是宇称可以不守恒呢？任何一个人只要一提这个问题，就立刻会被大家攻击，攻击得体无完肤，所以大家不敢讲这句话。为什么不敢讲这句话呢？因为人们相信宇称守恒有三个主要的原因：一、宇称守恒的意思就是说物理世界是左右对称的，物理世界左右对称与牛顿定律、麦克斯韦尔定律是完全符合的；二、左右对称有很大的直觉和审美的感召力，大家都愿意多有一点对称，不要有不对称的现象；三、1920年到1930年以后，量子力学指出：宇称非常准确地在原子物理中守恒。
20世纪物理学的一个非常重大的革命性的发展，就是在头30年间的量子力学的发展。这个量子力学的发展，不只是对于物理学，对于今天我们的人生都有极大的影响。所以有手提电话，因为里头有一个芯片；所以有芯片，因为有半导体；所以有半导体，就是因为有量子力学的革命。而量子力学里说宇称是非常准确地守恒，而且宇称在理论跟实验研究上都已经成为很有力量的一个工具。这个工具在原子、分子物理里头非常有用处，接着在核子衰变的物理里头非常有用处，以后在核子反应的实验里头也非常有用处。有这么多的用处，所以大家就觉得宇称绝对是守恒的。
宇称守恒定律的牢固地位使关于θ-τ之谜的争论陷入僵局，很多试图解谜的科学家都纷纷败下阵来。然而在1956年的夏天，两位年轻的华裔物理学家杨振宁和李政道却聚到了一起，开始联手向它发起挑战。
杨振宁：所有人都知道物理世界有四种力量，叫作强力、电磁力、弱力、引力。强力者，就是把原子核合在一起的力量，它非常之强，所以反应堆有很大的能可以释放出来，原子弹可以有很大的能爆炸出来，这叫强力。电磁力就是电跟磁的力，电磁力是化学的基本。弱力呢，是20世纪才发现的，其中大家最熟悉的就是它的放射性，这个力量比起强力跟电磁力都要弱很多，所以叫弱力。还有第四种就是万有引力。这四种力，在上世纪四五十年代，已经变得很清楚了。
杨振宁和李政道大胆地猜测，或许宇称守恒对绝大多数的力量而言是正确的，但在弱力作用下未必如此。于是他们对弱力，尤其是β衰变进行了非常深入的研究，这使他们有了一个十分惊人的发现（图7）。
杨振宁：我们做了研究后，就发现以前所有的β衰变实验，原来都跟宇称守恒没有关系。这是一个使得我们非常惊讶的发现。换句话说，就是我们发现宇称守恒一直到那天从来没有在β衰变中被测试过。所以第三个，我们就提出来用几个实验，来测试β衰变跟其它的弱相互作用中宇称是否守恒。我们所提出的实验都比以前的实验要稍微复杂一点，需要加一点花样，通过加的这些花样才可以辨别在β衰变里左右是不是对称的。我们就写了一篇文章，当时它的题目：《宇称在弱相互作用里头是不是守恒》，最后用了一个问号。结果几个月之后，这个文章登出来的时候，题目改了，叫作《在弱相互作用之下宇称守恒的问题》。为什么变成这样呢？当时的编辑叫做戈特斯密特，是一个有名的物理学家，他说题目里不可以有问号，我自己一直觉得原来有问号那个题目比这个题目其实更传神一点。
一石激起千层浪。杨振宁和李政道的这篇论文迅速在国际物理学界引起了轰动。反对的声音如潮水一般铺天盖地向这两个年轻人涌来，而在质疑者中，不乏一些当时鼎鼎大名的物理学家。
杨振宁：我们这个预印本发出去以后，反应是什么呢？大家都不相信。可畏的泡利就写道：“我不相信上帝是一个弱的左撇子，我准备投注一笔很大的金额，实验将会得出一个对称的分布。”实验得出来对称的分布就是代表宇称是守恒的。泡利是一个胖胖矮矮的人，一个大物理学家（图8），为什么我说他是可畏的呢？因为我们这些年轻人都有点怕他，他对年轻人讲话非常不客气，所以我们通常不去跟他纠缠任何问题。
费曼，一位大理论物理学家，当年是38岁，他完全不相信宇称可以不守恒，所以他说他可以50对1来赌宇称一定守恒。等到宇称发现可以不守恒了，他乖乖地写了一张支票，50元钱。不过他写给的那个人没有把钱取出来，而将支票装在一个镜框里挂在办公室里。菲利克斯·布洛赫，因为磁共振得到了诺贝尔奖，而这个技术后来引导出来MRI（核磁共振）。当时他也说他不相信宇称可以不守恒，他说如果宇称不守恒，他会把他自己的帽子吃掉。
来自四面八方的质疑给杨振宁和李政道带来了巨大的压力，他们迫切地希望自己的理论能在实验中得到证实。而此时，一位擅长实验的华裔物理学家站了出来，她就是有“核子物理学女王”之称的吴健雄。
杨振宁：吴健雄有更深入的战略性的眼光，她也不认为宇称可以是不守恒的，因为，一方面她是泡利的朋友，非常崇拜泡利，他们之间经常有一些电话、信件的往来，泡利当然告诉吴健雄说宇称绝对是守恒的，可是吴健雄觉得一个基本的自然定律必须要用实验来验证，不管别人怎么觉得非是这样不可。她认为这是她的最基本的战略性的眼光，后来我曾经说她是独具慧眼。
吴健雄召集了四位低温物理学家和她一起进行杨振宁和李政道提出的钴60衰变实验。从1956年夏天到1957年年初的5个月时间里，她几乎每周都要从纽约赶到华盛顿去做实验，除了奔波劳累之外，她还要面对很多技术上的困难（图9）。
杨振宁：因为β衰变跟低温两者都是新的科技，从来没有人把它们放在同一个实验里，所以有很多战术上的问题需要解决。例如，因为低温的需要，他们要制造一粒很大的晶体，去保持
钴60的样本。吴健雄就到哥伦比亚大学化学系图书馆，去找做晶体的书，找着了一本很厚的书，上面满是灰，她把书拿到实验室，仔细研究。经过三个星期的艰苦奋斗，吴健雄和她的学生终于成功制造出了一颗直径约有1厘米的晶体。这里头还有个故事，其中她的一个女研究生，一天晚上回家的时候把有那个溶液的一个烧杯带回家，第二天早上她一看，出了大的晶体。后来一想才知道，是因为她那天晚上回去以后，把烧杯放在了厨房的炉子旁边，那个地方比较暖和，暖和了以后就可以出大晶体，这一来他们皆大欢喜，所以就做越来越大的晶体。最后做出来一个大的晶体，像一颗钻石一样漂亮。吴健雄说：“那天当我把晶体带去华盛顿，我知道我是全世界最快乐和最骄傲的人。”
通过实验，吴健雄成功地证实了李政道和杨振宁的推测，宇称守恒这条物理学界遵循多年的金科玉律被动摇了，这个消息顿时传遍了世界（图10）。
杨振宁：堤坝被攻破了，物理学家都赶紧去测试在各种弱相互作用下宇称是否守恒，很多实验室都去做这一类的实验。所以在接下来的5年里进行了几百个类似的实验，证实了宇称不守恒是弱相互作用下的一个一般的特征，这是一个非常重要的结论。可是为什么在弱相互作用里不守恒，到现在却还是不解之谜。很奇怪的。这也是泡利讲的，他不相信上帝是一个左撇子，为什么在三种重要的力量里宇称是绝对守恒的，而在这种弱相互作用里是都不守恒的，这里头一定有更深的道理。这个更深的道理，也许今天在座的哪一位，过20年、40年可以发现出来。
就在这一年，宇称不守恒现象的发现为35岁的杨振宁和31岁的李政道赢得了诺贝尔物理学奖。1957年12月10日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖的领奖台上，第一次出现了中国人的面孔（图11）。
而吴健雄的实验则给物理学领域带来了意义深远的影响，人们从此将对称观念提升为基本理论的一个中心概念，对所谓离散对称性有了更为深入的理解，她的实验也使人们更清楚地了解了中微子的性质，由此导致了三个新的诺贝尔奖。
杨振宁：可是吴健雄始终没有获得她应该得到的诺贝尔奖。塞尔瑞也是一个得过诺贝尔奖的实验物理学家，他是吴健雄在伯克利攻读博士学位的导师（图12）。
他在上世纪70年代写了一本书，用通俗的语言描述了20世纪物理学的许多发展，其中有这么一段话：他说“这三位中国物理学家显示了下面的预测，历史上中国曾扮演世界文化领袖的角色，当中国从她目前的浴血革命时代走出，重新担任她的历史角色以后，她对未来世界物理学将会有多么大的贡献”。
3. （编
