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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

日志

 
 
关于我

这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(13)第十二章 新探险(2)  

2013-05-16 15:19:07|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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13)第十二章 新探险(2

2009-12-12 11:48:34

http://blog.163.com/wu_baolin_cool/blog/static/10655114220091112114834634/

 

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 field theory)。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:Emc^2

 

  最早的“反电子”由加州理工的安德森(Carl Anderson)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 SSchwiger)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)和霍金提出了著名的“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。

 

  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——他或许是日本最著名的科学家——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-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》中那著名的句子,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 TheoryGUT),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 EverythingTOE)

 

  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11,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(Zeldovich)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)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(Gordon Kane)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2002Nature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?

 

  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:

 

   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!这就像那个著名的寓言——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)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著喜欢水,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510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。

 

 

 

量子史话

后记

作者:castor_v_pollux

 

  这个有关量子论的系列自去年开始动笔,其间因为各种原因(包括本人不可思议的懒惰),写写停停,到最后完成时用了正好差不多一年时间。最需要感谢的是读者们异乎寻常的热情和支持,不然我很可能半途而废。

 

  我最初构想的规模只是一篇45万字的极简介绍,不料逐渐收不住笔,最后完成的时候在我的WORD里已经超过200页,25万字,当时真是不敢想象。这不是专业的科普,事实上,我更注重的是历史方面而不是科学方面,不过读者可以在其中获得一个基本的量子论的科学概念。我努力使它成为极通俗的读物,事实上,我仅仅假定读者具有初中的数学水平和一点点高中物理知识(如果你具有以上水平但仍看不懂某些内容,那一定是我写作的问题^_^)。即使是对数理完全不通,我也希望你可以从中得到一点启示。但不可避免地,运用日常化的语言会使一些描述显得牵强附会,不符合物理上的概念。所以再次强调,这不是专业的科普,如果想获得对量子论更好更准确的认识,各位还是参考一些专业书籍。上帝是数学家,唯一能够描述宇宙的语言是数学!我们的史话也非专业的科学史,它仅仅是供各位茶余饭后消遣的读物而已,如果有人竟然凭借这个系列而证明了某些“伟大理论”,那我可受宠若惊,担当不起。其实,我和各位一样是门外汉,只要各位能够和我共同分享一些由量子论带来的激动和惊奇,我便已经心满意足。

 

  这个系列是本人业余时间在网上完成的,一来水平问题,二来毕竟业余时间有限,所以无疑存在为数众多的bugs。虽然我努力使描述符合历史与事实(一般来说,除了一些明显的虚构情节外,本文中的历史场景都是有依据的),但有些地方确实没能查阅更多的资料以进一步核实(比如我曾经想啃完那6本大块头的量子力学发展史,不过最终还是留下一些没看完)。我已经发现了一些错误之处,在将来的修订中会改正过来,也希望各位指出更多的地方。另外,由于写了很长时间,所以没有很好地规划,比如第4章只写了4节,而有些重要的方面却忘了描写,或者没法插进现有的叙事结构中去。比如玻色-爱因斯坦统计,斯特恩-格拉赫实验,量子加密术,等等。现在这个只是初稿,其中有些章节很罗嗦,有些地方枯燥无味,有些比喻莫名其妙,还有一些名词翻译的问题,以及一些东拼西凑的痕迹,修订的时候我会试图解决这些问题,并配上一些插图。

 

  我有意使文字风格靠近同龄人的语境,也就是780年代的风格。这是一种取巧的办法,因为这些是网上的主要人口,不过我很高兴它带有一些网络特色。为了追求可读性,在不改变基本事实的前提下,我有的时候做了一点文字上的夸张(比如历史上的玻尔-爱因斯坦之争很可能没有我所描写得那样戏剧化),我为此表示抱歉,也希望这不会损害读者对我的信心。这篇文字主要还是在网上流行(因为有人辛苦转贴,所以它似乎流传很广),有些读者很希望它可以出版,也许修订后有人真的愿意出版它,不过由于本人的效率低下,这一天似乎还遥遥无期,呵呵。

 

  关于本文任何的意见,比如知识错误,信息过时,文字风格,遗漏与补充,哲学观与讨论,都可以发信到castor_v_pollux@yahoo.com,我很乐意听取各位的意见,也算是网络文字的一种互动形式。

 

  最后,把这篇文章送给那个女孩,以回赠她曾经送给我的那些可爱笑容。

 

  CAPO

  2004.5

 

 

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