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Lee Smolin 和他的《The Trouble with Physics》

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现在让我们转回到 Smolin 著作的开头, 看看他列出的五个在他看来最重要的物理问题, 概括地讲它们是:

  1. 统一广义相对论与量子理论。
  2. 量子力学基础问题。
  3. 搞清楚粒子与相互作用是否可以统一。
  4. 解释标准模型中的参数数值。
  5. 暗物质与暗能量问题。

说实在的, 物理学家们要想在列举所谓 “五大” 或 “十大” 难题这样的事情上有共识似乎是很困难的。 Smolin 所列的这些问题就有很多可以争议的地方。 比如将 “统一广义相对论与量子理论” 单独列出来似乎是为他所钟爱的 Loop Quantum Gravity 量身定做的, 对弦论来说 1、 3、 4 可以合而为一 (当然, 这并不是说弦论已经接近解决这几个问题); 而量子力学基础虽然没人敢说不是问题, 但在没有任何实验与其数学框架相抵触的情况下, 将这一问题放在如此显赫的地位上恐怕是 Smolin 的个人偏好。 Smolin 对量子力学的怀疑是很深的, 他在这部著作中甚至罕见地宣称量子引力一定是错的, 因为它用到了普通的量子力学, 如此 “鱼死网破” 的评论显然把 Loop Quantum Gravity 也打击在内了 (当然, 弦论也是跑不了的)。

在作了技术批评后, 如上所述, Smolin 开始叙述一些有可能导致新物理的实验, 其中包括在小加速度 (比如星系旋转曲线异常、 先驱者号反常及暗能量所对应的加速度 - 它们都令人惊讶地出现在 10-10m/s2 这一量级上) 条件下对牛顿引力的可能偏离, 光速不变原理的可能破坏等。 在这两方面他所介绍的可能理论: MOND (Modified Newtonian Dynamics) 和 DSR (Doubly Special Relativity) 在我看来都是极其 ugly 的。 Smolin 在 DSR 方面做过一些研究, 他提到 2+1 维的量子引力会自动包含 DSR, 并以此论证 DSR 必定自洽 (因为存在一个自洽的 realization)。 这个逻辑恐怕是成问题的, 因为一个理论是否自洽完全有可能是与维数有关的。 Smolin 对其它一些理论, 比如 Penrose 的 twistor, Renate Loll 和 Jan Ambjørn 的 Causal Dynamical Triangulations, Alain Connes 的非对易几何等也作了简短的介绍。 最后他介绍了自己钟爱的 Loop Quantum Gravity。 在这方面, 他提到了两个进展: 一个是有迹象表明 Loop Quantum Gravity 在某种意义上可以过渡为经典时空, 甚至可以得到两个质量之间的牛顿引力 (量子引力对话录 的作者 Rovelli 是这一工作的主要参与者)。 我在 追寻引力的量子理论 中曾经提到, 无法过渡到经典时空是 Loop Quantum Gravity 成为量子引力理论候选者的主要障碍之一, 这方面若有进展无疑是值得关注的。 另一个则是发现 Loop Quantum Gravity 的量子几何激发态有可能与 preon 相对应, 从而有可能通过 preon 模型构筑标准模型中的粒子。 这一点使 Loop Quantum Gravity 有可能 - 无论可能性多小 - 由单纯的量子引力理论转变为 TOE 类型的理论。 Smolin 本人参与了这方面的工作, 他们的论文我粗略浏览了一下, 尚停留在定性分析阶段, 距离真正的目标还相差很远。 而且我个人认为, 由于 Loop Quantum Gravity 的基本方程完全来自经典广义相对论, 且是纯玻色场, 这样的理论 - 即便加上量子化 - 直接成为 TOE 的可能性是很渺茫的。

作为全方位批评弦论的一部分, Smolin 对弦论群体的学术氛围也进行了批评。 他认为, 弦论群体存在唯资深成员 - 尤其是 Witten - 马首是瞻的严重倾向, 极大地限制了独创能力的发挥。 他举出了很多例子, 其中一个是 1982 年 Fields 奖得主, 非对易几何的先驱者 Alain Connes 的回忆。 Connes 说自己 1996 年在芝加哥大学做有关非对易几何的报告时, 有位弦论学家没听完就离席了。 两年后, 他在剑桥又做了一个报告, 内容基本相同, 此人恰好又是听众, 这一次他不仅显示出浓厚的兴趣, 还对报告给予了很高的评价。 事后 Connes 好奇地问他为什么两年之间态度发生如此大的改变? 这位四十多岁的成熟的研究者回答说: 因为 “有人看见 Witten 在 Princeton 的图书馆里看你写的书”! 象这样的小故事在 Smolin 的书里还有很多, 它们很好地点缀了这部作品, 使阅读变成一种愉快的经历。 他对弦论发展史的某些描述连 Polchinski 也承认是很准确地描述了新思想出现带给弦论学家们的激动。 不过, 他对弦论展开批评时所引的那些虽然真实, 但经过精心选择的例子究竟能在多大程度上论证弦论群体抑制创造力的发挥, 却是值得商榷的。 Smolin 反复强调弦论群体中无形的等级结构, 以及 Witten 在这一群体中的地位, 似乎人人关心 Witten 的看法胜过自己的看法, 人人以 Witten 的研究作为主流方向的风向标。 这样的描述虽非空穴来风, 但另一方面, 弦论中多数重要突破其实都是其他人首先做出来的。 Witten 具有敏锐的判断力, 极强的物理直觉, 以及深不可测的数学功力, 他往往能极快地判断、 跟进并推广在他看来重要的结果。 Witten 的文章在广度、 深度及表述方面的过人之处, 常常能使一个研究方向很快变得清晰并成为主流。 但那些主流方向的起源本身, 却正是其他弦论学家的个体创造力 - 而且是最重要的那种创造力 - 的体现。

Smolin 的许多非技术性的观点是很难用正确与否来评价的。 超弦理论在基础理论方面所占份额之大究竟合不合适, 也是很不容易评价的。 Smolin 用超弦理论已经发展得太久 - 远比科学史上所有其它理论所耗时间来得长 - 却没有与实验直接接触, 来作为反对它的重要理由, Polchinski 则在具体时间的界定上与他进行了争论, 这些在我看来属于细枝末节。 科学史对未来的启示是有限的, 超弦理论若真是一个 TOE, 它的存在是不需要通过强调其并未比科学史上其它理论脱离实验更久来辩护的, 因为复杂性需要用时间来消化。 Smolin 针对这一点的批评具有过度的杀伤力, 足以扼杀一切足够复杂, 从而无法在短时间内趋于成熟的理论。

物理学史真象一部动人的故事书。 我有时候不禁要想, 未来的物理学史将会怎样来讲述超弦理论的故事? 会是一场前所未有的理论豪赌随着诸如超对称被实验否定之类的结果而黯然销魂的悲剧? 还是一个有史以来脱离实验生存时间最长的理论最终胜出的伟大喜剧? 当然还有很多其它可能, 但如果有一天弦论被证实是错误的, 或它不再受到青睐, 那么 Smolin 也许会因为在弦论仍在基础研究中占据近乎垄断的地位时写下过这样一部著作, 而被史学家所纪录 - 他以这种方式留下一个小小纪录的可能性也许要比他在 Loop Quantum Gravity 或量子力学基础方面获得成功的可能性更大。

附录: 超对称、 弦论及弦论之可能衰落原因猜测

二次革命之前, 弦论有过一段所谓的黑暗期, 据中国弦论学家李淼的《弦论史话》描述, 在那期间, 做弦论的学生几乎羞于承认自己在做弦论。 如今的弦论距离上次革命的 “阳光雨露” 虽已很远, 但与当年的黑暗状况却颇有不同。 这些年来, 弦论研究的队伍并未缩小, 反倒是很多原本完全不从事弦论研究的物理学家开始尝试做一些与弦论有关的东西, 包括在弦论衍生出来的框架内做唯象研究。 据 Smolin 介绍 (我假定他不会在这种可以核实的数字上做手脚 - 我对 IAS 的人员进行了核实, KITP 及高校 faculty 的数字直接来自 Smolin 的书), 普林斯顿高等研究所 (IAS) 物理方面的 faculty 除一人 (Stephen Adler) 外, 其余 (Juan Maldacena, Nathan Seiberg, Edward Witten) 全都是从事弦论研究的; KITP (Kavli Institute for Theoretical Physics) 获得 MacArthur Fellowship 的九位粒子物理学家也是除一人外, 其余全都从事弦论研究。 而美国六大顶尖物理系近年成为 faculty 的二十二位 1981 年之后获得博士学位的粒子物理学家中, 有二十人以在弦论或相关领域的工作著称。 可以说弦论在 Smolin 撰写《The Trouble with Physics》之时, 仍在基础研究中占据着近乎垄断的地位。 如果弦论最终衰落了, 最有可能的原因会是什么呢? 我觉得是超对称被实验排挤到越来越高的能区 - 这一点我在正文的末尾特意点了一下。

这里要解释两点: 首先, 超对称是很难被绝对排除的, 实验上能做的只是将超对称破缺的能标抬高。 但随着这一能标的抬高, 人们原先希望超对称干的那些好事, 它就会干得越来越少, 而且会干得越来越不漂亮。 这将影响物理学家们对它的信心和兴趣。 其次, 弦论当然也很难 - 而且更难 - 被绝对排除。 在可预见得到的将来, 从实验上严格排除弦论是几乎不可能的事情。 如我在下一段将会提到的, 弦论甚至在超对称彻底不存在的情况下仍有可能存在。 不过, 超对称在弦论中的地位毕竟非同小可, 一旦人们对超对称失去信心和兴趣, 弦论几乎必定会被波及。 如果不出意外, 届时弦论必将快速衰落。 目前实验物理学家们距离检验超对称的第一个重要能标 - TeV 能标 - 已经不远了。 现在从事物理的学生应该会有这个幸运看到这个能标上的事情, 无论超对称在这个能标上被证实与否, 都会有事情可做。

上面提到, 弦论在超对称彻底不存在的情况下仍有可能存在。 要解释这一点, 需要知道超对称在弦论中所起的作用。 简单地说, 超对称在弦论中的作用主要有两方面: 一是消除 tachyon 及由此导致的发散等; 二是帮助研究非微扰性质等。 其中 tachyon 及由此导致的发散等是必须消除的, 而帮助研究非微扰性质等则只是技术上的便利。 弦论学家有一种设想, 那就是通过所谓的 tachyon condensation 来化解 tachyon 造成的问题, 并给出一种类似于 Higgs 机制那样的好东西。 不过迄今似乎尚未有具体的实现手段。 假如这有可能实现, 那么弦论在没有超对称时面临的最大障碍就有可能被消除。 从这个意义上讲, 没有超对称并不等同于弦论 (那时的弦论当然就不能叫做 “超弦” 了) 的失败。 不过假如真的没了超对称 (而不仅仅是破缺能量很高), 那么今天炙手可热的那些非微扰结果 - 包括许多对偶性 - 基本上都得完蛋。 这虽只是技术困难, 但今天的超弦尚且如此困难, 没有超对称的弦论将比今天的超弦还要困难得多, 而且其在数学上的魅力也要锐减, 这几乎铁定会导致弦论的衰落 (只能说是 “几乎”, 因为并无先验的理由认为那样的理论一定不可能是正确的理论)。

当然, 弦论的衰落还有其它可能性, 比如因为长期没有实质进展 (尤其是缺乏与实验的实质接触)。 事实上, 很多人认为弦论目前就已进入了这种类型的衰退。 不过我认为, 对这一点的判断在很大程度上取决于今后一段时间弦论的发展。 倘若有诸如第三次革命之类的事情发生, 那么现在这种虽气势不如二次革命中的那几年, 但仍在高位上运行的状态是不会被视为衰退的。 因此我宁愿避免做这种短期猜测, 这种猜测更适合让从事弦论研究的人来做 (不过他们的短期猜测也常常失误, 比如有关第三次革命的发生时间, 弦论界就已有过若干次错误的乐观猜测)。 但无论弦论目前是否已经因为长期没有实质进展而进入衰退, “长期没有实质进展” 的确是弦论衰落原因中的重要可能性。 我之所以没有将这种可能性作为首选, 是因为虽然弦论中任何特定的研究方向都有可能因为没有实质进展而在短期 (比如两三年) 内衰落, 但弦论自二次革命以来各种研究方向层出不穷, 要想让整个弦论以这种方式衰落, 将会需要很长的时间。 在这期间, 实验物理学家完全有可能将超对称破缺的能标推高到使人们对超对称的信心和兴趣急剧丧失的程度。 如前所述, 这几乎必定会导致弦论急剧衰落。 换句话说, 在 “长期没有实质进展” 和 “超对称被实验排挤到越来越高的能区” 这两种因素都起作用的情况下, 后者会成为主因。 因此从预测的角度讲, 我觉得超对称被实验排挤到越来越高的能区, 是弦论衰落的最有可能的原因

当然, 猜测只是猜测, 超对称也可能被实验所证实, 如果那样的话, 弦论的研究将会受到一定程度的促进。 不过, 由于非弦论方面的某些研究 - 比如 MSSM - 也会受到促进, 而且由于这些更唯象的理论可以更快地将实验结果定量地表现在理论中, 因此受益的程度可能会更大。 此消彼长之下, 弦论学家们的士气虽会增加, 但弦论在基础研究中的相对地位倒未必因此而增加。 如果超对称被证实, 而弦论最终仍衰落了, 那么长时间没有实质进展极有可能是其衰落的原因。 值得注意的是, 在各种情况下, 被实验直接证伪似乎都不太可能成为弦论衰落的主要原因 (这一点也是很多人批评弦论的地方)。

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