42、深层秩序

杰· 彭罗斯和斯蒂芬· 霍金的物理学名人堂。这批新名单中，最突出的是爱德华· 威腾，此他之外，欧根尼奥· 卡拉比、西奥多· 卡鲁扎、安德鲁· 斯特罗明格、斯坦· 斯特罗姆、库姆兰· 瓦法、加布雷尔· 维尼齐亚诺和丘成桐也都是享誉国际的人物。

弦革命的到来源于一个基本的悖论。广义相对论解释了宇宙的宏观结构，量子力学解释了极小的亚原子结构，它们本身都很成功，但二者却互不相容。物理学家无法相信大自然会允许这样的事情发生，即一套定律只适用于大型物体，另一套只适用于小型物体。有一段时间，他们设法协调这种不相容性，很多人认为，这种不相容性与人们无法解释重力不无关系。除此之外，物理学还存在其他一些基本问题，它们也正是弦理论学家所面临的问题：为什么会有四种基本的力？[3216]为什么有不同种类的粒子？为什么它们具备各自不同的性质？弦理论学家们给出的答案是，物质的基本成分其实不是一系列的粒子（点状物体），而是极小的，往往呈环状的单维弦。这些弦很小，长度大约10—33厘米，这就意味着，我们无法用现有的测量仪器直接观测弦。然而，根据弦理论，电子是以某种方式震动的弦，上夸克是以另一种方式震动的弦，T介子是以第三种方式震动的弦，如此等等，就好像小提琴上的弦以不同的方式震动，会奏出不同的音符一样。根据长度数量级，这里我们所说的确实是极为微小的物体，原子核比它大了整整1020倍。但是，弦理论家认为相对论和量子理论将可能在这个层面上走向统一。他们还认为，重力粒子（即引力子）将作为副产品和额外收获，从中自然推算出来。

弦理论最初出现于1968至1970年间，当时在欧洲粒子物理研究所工作的加布雷尔·维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）注意到，一道200多年前验证的数学公式似乎恰好可以解释粒子物理学的各个方面。[3217]接着，另外三名物理学家，南部阳一郎、霍尔格· 尼尔森和莱昂纳德· 苏士侃表示，如果粒子不是点状物体，而是震动的小弦，那么这道数学公式就很好理解了。不过后来人们放弃了这些方法，因为它们不能解释强核力。但是，这个想法并未消失，1984年，第一次弦革命爆发，迈克尔· 格林和约翰· 施瓦茨发表了一篇意义重大的论文，首次表明弦理论可以调和相对论和量子理论。这个突破激起了一系列的研究，在接下来的两年里，1000多篇有关弦理论的论文纷纷发表，它们都揭示粒子物理学的诸多主要特点是由弦理论发展而来的。但是，弦理论的众多成果暴露了自己的问题。有段时间，竟然有五种弦理论并存，它们同样精妙，“真假”难辨。弦理论再次陷入停滞，直到南加州大学于1995年3月召开“弦1995”会议，爱德华·威腾（Edward Witten）在会上提出“第二次超弦革命”，该理论才得以继续前行。[3218]威腾使其同行确信，这五种看似不同的理论实际上是同一个基本概念的五个方面，这就是所谓的M—理论，M代表“神秘”（mystery）、“元”（meta）或“理论之母”（mother of all theories）。[3218-0]

当物理学下沉到弦这样微小的层面时，此前物理学家从未想到的各种可能性开始出现，其中之一是可能存在“隐藏的维度”，要把这个概念解释清楚，需要另一个类比。首先，有个观点认为粒子之所以被视为粒子是因为我们的仪器太鲁钝了，看不到更小的形态。借用格林举的例子，设想从远处看一截软管，它看起来像一条细线，像纸上的一条直线。实际上，如果你凑近观看，就能看到它有两个维度。它一直有两个维度，只是我们凑得不够近，所以没有发现。物理学家说，就算是在弦这一级，（可能）情况也是一样，我们目前还不了解的隐藏维度蜷缩起来了。实际上，他们认为可能一共有“十一”个维度，即十个空间维度和一个时间维度。[3219]这个观点即使不是毫无可能，也难以想象，但是科学家从数学（这样的数学连数学家都觉得艰深）的角度进行了阐述。但是，一旦他们认定这个观点，宇宙中的很多事物就好理解了。例如，黑洞可以解释为类似于某种基本粒子，是通往其他宇宙的关口。额外维度也是需要的，因为弦理论家认为，它们的弯曲方式可能决定了弦震动的强度和频率，换句话说，这也解释了我们熟悉的“粒子”为何有各自的质量、能量和数量。根据最新的发展，弦理论不仅只有弦，还包括二维、三维或多维膜，或“膜”（branes）、小包，这些将是人们在21世纪要了解的主要物理学议题。[3220]

关于弦理论，除了弦本身的存在以外，最惊人的事情是，它暗示可能存在宇宙的史前时期，即大爆炸之前的时期。正如格林所说，弦理论“暗示宇宙最初并非极端灼热的、紧紧卷成的空间颗粒，而是寒冷的、在空间上是无限的”。[3221]他说，接着发生动荡，出现了一段膨胀期，然后形成了我们所了解的宇宙。这种说法的优势是，它囊括了四种力，包括重力。

弦理论将每个人的理解力拓展到了极限。直观类比行不通了，它用到的数学连数学家都感到艰深，但是有些观点我们还是能领会的。第一，弦涉及的世界超越了普朗克长度，某种意义上说，这也是1900年提出的普朗克量子概念的逻辑结果。第二，它仍然是99%的理论，物理学家们正设法用实验测试这些新理论，而至今仍然怀疑弦是否存在的仍然大有人在。第三，在这些极小的层面，我们可能会进入一个时空无限的领域。最新研究涉及零膜结构，在这个领域里，法国数学家阿兰·科纳（Alain Connes）设想的“非交换几何学”（noncommunicative geometry）取代了普通几何学。格林认为不仅在哲学上还是在科学上，这都是一大进步，一大突破，“它能够为我们解答宇宙的起源和为什么会有时空等问题，这种形式体系使我们日益接近回答莱布尼茨提出的为什么是有而不是无的问题”。[3222]最后，在超弦理论领域，物理学和数学几乎完全融合。这两门学科一向关系密切，但是从来没有密切到现在这种程度，那也许是因为我们触及了某种可能性，从某种意义上说，现实的基础正是数学。

很多物理学家相信，我们正处于数学的黄金时代，有两个领域引起了数学家们的普遍关注。

“混杂”（chaoplexity）这个词源于混沌（chaos）和复杂（complexity）。1987年，詹姆斯· 格雷克在《混沌：开创新科学》中首次提到了这个新的知识领域。[3223]混沌研究始于如下观念：用数学家的话说，世界上有很多现象是非线性的，这就意味着原则上它们是无法预知的。其中最著名的是所谓的蝴蝶效应，打个比方，美国中西部的一只蝴蝶拍打翅膀，可能会引发一系列事件，最终导致远东地区的一场季风。这个理论的第二个方面是其“突发性”，即世界上存在着很多“仅靠研究系统成分无法预知或理解的”现象。意识就是一个很好的例子，因为即便可以理解它（这一点也极具争议），也不能通过研究大脑内部的神经和化学物质而达成理解。但是，这还不及混沌科学家所要表达的一半。他们还称，计算机的到来使我们能够进行前所未有的强大的数学运算，其结果是，最终我们将有能力模拟复杂的系统，如大分子、神经网络、人口增长、气候模式。换句话说，混沌表面之下的深层秩序将被揭示。

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