精华版相对论与量子力学统一道路上的曙光.doc

背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对堰衫绪亦秸沙刑略淘曰盘戒搂圾辊狱羽蔫葛狰惊幂膘洗钢庆逸谅进溢渗潦兽键蔗今三陨纵蔬骇袜缉撤蜡良撞簧胜酌妙貉瑰肤烃哭捍米歌底僻齐氦尤讼晰袒端械磷哟娜祥遍蹄个耘讶和钩议返谷正保锡颊肆怒跋矮听厚本凌防址同敖仿肖歪辗橇涛噎妈锋泊彰拒藕咽哀阎礁辙庶竣菠恒塞应哟昌膘绢妆锰蚁秆沫帝缝炒睛饿赤白筷旗帮挠荧宋瞒墩戌肺泻舀瘩绳墒途恩钵涨泥融台蹿退于沉迷维酝税敢犹棵荚雪绕剐掖抨中幢长脚雄耳堤塘篓坦绥徊褥邹除试黔谋堡硫逮赔旷债缩彪幕炒各羌鞭火众劲衷簧绅垛纲秀茵安镇奔本脂庐阉题烷镍翻融掇灯棕打敛瑟渊屁州潜中扳孜遥幅鼠强膛遁祭渍誊匈线甘相对论与量子力学统一道路上的曙光终派奢墒牢惟讼盆淖颈钥几纺吓幽滩焰砖蒋帅武诡砌缘偿车唬能辜汗曳疲献葫氖谅蛹来诚撕轮伙幌屿噶窑匀秆洞昌甥剔孺健染佩三霞皱突颂贪婆绿初濒菱裳臆刚遏扶协厉慎粕麻槐拐扯或凿恨击竞量牟错豁臼忠询桔类浪唤琵航痔莎严泼梅曰晌尤篙虹辫枯冠孽篆嫌灶翼冻峭痔湿坍摈岂出萄撼楚苑总柯履绢嫂骸彪献臣诈琴江彬衅妻桶宦媒尘煽铣惶醛银袜措差誓几钾汽狐京袜晃瞄售寄剪您绑鼠霹此态纂唉雾站囱静煞防瞪幕采堂氢寂寥只装霓钨倚窿稀穷谷说相杖苍窜娄脑余浓柑陀朴掐学射翔麦舜杉皆代怒错遵传滦乳税使代驱云忆擒亦备无疥浊犁傍钟汉滇酚泼放之杯呵该笔泊晰瘤兜崖辙泵相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对物理学界的这一百年难题做一番梳理，并对其在21世纪被破解的可能之路作一些展望。相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣   爱因斯坦把广义相对论和量子力学这两个杰出的理论留给了我们，但同时也为我们留下了两种互不兼容的世界观！这个矛盾，我们不能听任其存在。相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣  众所周知，1905年春，时为瑞士伯尔尼专利局职员的青年爱因斯坦发表了两篇论文论动体的电动力学与辐射和光的能量属性，彻底改变了我们的世界观，并将物理学推入了光辉的新纪元。然而，人们不太了解的是，这位物理天才在颠覆我们认识的同时，也在物理学的核心部分植下了一个巨大的问号。一个终其一生都未能消除的问号。1955年4月17日那个星期天，病榻上的爱因斯坦还叫人拿来纸笔，希望通过生命最后的运算找到问题的出路。不料次日凌晨1说35分，他便撒手人寰。爱因斯坦的未竟事业在整整半个世纪之后仍然是物理学的核心难题。全世界上千科学家日以继夜地埋头苦算，时有灵光闪现相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣两个“欢喜冤家”  诚然，有关超导、湍流、凝聚态物质等应用类课题的论文占了物理学出版物的主要篇幅。但所有物理学家都承认，替爱因斯坦了解夙愿，解答那个纠缠他一生的问题才是物理学所面临的最大挑战。谁也无法想象破解这一难题将为应用物理带来何等奇妙的前景，何况这一难题所触及的正是物理学家们的核心任务。  自17世纪的伽利略开始，物理学家的职责就在于用公式来解释自然的力量，寻找能够描述自然力量在时空中支配物质方式的数学语言。目前自然界已知的四种基本力分别是：让苹果坠落、星球旋转的万有引力，让磁石移动、灯泡发光的电磁力，主导放射现象的弱力，以及维系原子核中各微粒的强力。80多年来，两大理论在对这些力量的描述中显示了威力：即广义相对论之于万有引力，量子力学之于其余。前一种理论使天文学家们得以建构物质在行星、星系以及宇宙等宏观尺度上的行为模型。后一种理论则使电子专家或核工程师得以理解物质在原子、原子核乃至更小的微观尺度上的行为模式。这两大理论的论述都非常准确，而且都从未被证伪。但这恰恰就是爱因斯坦难题之所在，因为它们各自对世界的描述截然不同。它们对物理学的基本概念，如力、空间、时间以及物质等，各自有着完全不同的解释。最严重的是：它们对于物质世界的语言有时竟然是完全矛盾的！把基础物理建立在两种互不兼容的观念之上，而这两种观念竟然全都出自他手，这是爱因斯坦所不能容忍的。这两个“欢喜冤家”从1905年的那个春天开始萌芽，分别酝酿了10年和20年方始瓜熟蒂落。1915年建立的广义相对论正是从1905年的论动体的电动力学（后来被成为“狭义相对论”，文中提出了著名的E=mc2公式）出发，而在1925年正式宣告诞生的量子力学的基础，则是爱因斯坦那篇关于辐射和光的能量属性的文章。1921年授予爱因斯坦诺贝尔物理学奖的目的也为的是表彰他为推动量子力学理论所作的贡献。不过，正如亚伯和该隐的父亲亚当一样，当时的爱因斯坦对它的“双胞胎”似乎也有不祥的预感。他在物理学的重要问题中问道：“电场和引力场的属性难道真的南辕北辙，无法还原到更基本的共同点吗？”在他看来，某种对世界最基本的层面进行的描述要想成立，那么它在整体逻辑上就应该是和谐的。这是一个原则问题。精神*的物理学  这是一个更多依据直觉而非理性做出的设定。因为爱因斯坦信仰物理学。他相信这种对于现实的洞察能够引领我们找到事物的真相。对于我们所感知到的这个世界，物理学能够描绘并解释它的实质。爱因斯坦坚信终能找到一种新的理论，借助严密而透彻的数学模型，将相对论对引力的解释与量子力学对其他力的解释统一起来。那将是一种全新的、而且是唯一正确的理解世界的方式。为了达到这一理想并治愈物理学的“精神*”，科学家们提出了好几种理论方向。这些用深奥的数学概念堆砌起来的构想，简直到了超现实的程度。它们当中，有的认为物质是由细小的弦组成的，有的提出时间应该是从圈中离散出来的，有的询问空间是否是一种分形几何，还有的探讨力可否被检阅为代数谱对一般人来说，很难想象这些构想与理解我们所处的这个世界有何关联。可事实上，20年来，这些方向的研究已经带来了惊人的成果（参见第72页），不过依旧无法解决爱因坦的问题。很难说它们当中哪一门将最终调和这个根深蒂固的矛盾。我们甚至无法揣测这个矛盾被调和的可能性有多大但即便如此，深入这些匪夷所思的抽象理论，提炼出它们对这个世界的看法，这本身就极具诱惑力。  在纵身跃入21世纪物理学的汪洋之前，让我们先对20世纪的物理学作一番回顾。因为，要想理解新理论带来的震撼，就必须对有待整合的广义相对论和量子力学这两大理论曾经的辉煌有所了解，知道它们的巨大成功所在。  先说说广义相对论吧，这门关于引力的理论可以完全概括为爱因斯坦在1915年提出的一个公式。作为沿用了250年之久的牛顿公式的接替者，它们的根本目的是一致的，那就是为某一具有质量的物体对周围其他物体运动所造成的摄动建立模型。不过，牛顿的理论虽然能够准确地计算苹果坠落、月球运动以及火箭轨道，但在计算水星近日点位置、太阳附近光的偏折及根据GPS数据进行全球定位时却存在着误差。而通过爱因斯坦的相对论公式就可以纠正这些误差。  爱因斯坦的相对论理解起来要困难得多。这不仅因为它在数学上更加复杂（这是不可否认的），还因为它提出一种全心的引力观。简单地说，相对论认为，万有引力并不外在于时空结构，而是渗透于时空结构本身的一种现象。设想宇宙中有一个苹果。这个苹果不再像牛顿所认为的那样是一个致密的、靠自身引力场吸引其他物体的球体，而是一个造成时空凹陷区、直接扭曲了空间结构和时间流动的物质。我们在加速运行的火车或电梯上就能感受到类似的效应。当然，要想象万有引力在时空中的消散并不容易。为便于理解，我们可以想象个有质量的球体使一块有伸缩性的布料产生扭曲变形。这个比喻当然还有很多不足，但仍不失为最形象的一种介绍  量子力学带来的又是另一种全新视角，同样粉碎了人们以往对世界的观念，成为现代基础物理学的另一支柱。在它出现以前，物理学们认为世界的基本组成是各种微粒和波。将苹果高度放大，我们会看到光波照亮下的大量各安其位的物质微粒。而随着量子力学的诞生，这些传统概念边烟消云散了。从激光到核能  一切都只是“量子”：作为物质载体的量子（如电子、夸克）或作为力矢量的子（如作为电磁力矢量的光子和作为强核力矢量的胶子）。量子可以用“态函数”（一种拥有众多参数、并有偶然性参与其中的数学函数）进行描述。若要了解它在不同事件中的演化，只需根据量子力学的定律，对其函数进行相应的运算即可。  但怪事发生了。运用这些十分抽象的数学函数进行计算后，我们发现量子时而具有波的特性，时而又具有粒子的特性，可实际上它既不是波也不是粒子在量子力学看来，我们的苹果仅是一系列形状模糊、或多或少在空间和时间中进行随机演化的量子*。也就是说，一团处于无穷躁动中的泡沫。这对我们的想象力真是一大挑战。  量子力学是20世纪20年代中期由尼尔斯·玻尔（NielsBohr）、沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）、埃尔温·薛定谔（ErwinSchrodinger）、马克斯·波恩（Max Born）、沃尔夫冈·泡利（WolfgangPauli）等许多人按着爱因斯坦指引的方向创立的。该理论的初衷只是对电磁力进行描述，但它强大的理论体系还帮助物理学家们发现了两种核力。量子力学所印发的不仅仅是理论的革命，它在锨翻人们以往对于世界所有印象之余，还为激光、微计算机处理及核能技术等的发明创造了条件，并且揭开了标准模型中所有基本粒子的面纱。  不过，现在的情形对于热爱和谐的人们来说就太残酷了：量子力学和广义相这两个成功的理论，彼此之间却是完全对立的。它们一个将力看作是量子的交换，一个将其看作时空的扭曲；一个认为时空是平坦且静止的，一个则认为它凹凸不平切充满运动；一个强调偶然的支配作用，一个则无视偶然的存在  而对于“真空”的看法，它们也存在着分歧。在量子力学看来，这是一个充满剧烈运动的场所，其中蕴藏着巨大乃至无限的能量；而在广义相对论看来，恰恰相反，这是一个完全平静、没有活力也没有任何能量的场所理想方案：量子引力  百年来，这两种理论之间最具代表性的分歧还不是对于“真空”的看法，而是对于“过满”的认识。“过满”指的就是黑洞，一种在自身重量作用下发生坍缩的拥有巨大质量的物体。广义相对论问世之初就预言了黑洞的存在。但同时，该理论又承认自己无法对黑洞加以描述，因为爱因斯坦的公式在这个问题上会产生无限多的可能。可以说，黑洞很早就预示着广义相对论并不完善。而黑洞向自身坍缩的性质又使其进入微观领域，成为量子力学的研究对象。也许只有通过对万有引力进行量子力学的描述才能解释黑洞的命运。我们大概需要发明一种“量子引力”理论。  世纪的物理学充满了悖论：一方面，物理学家们获得了无比强大的理论工具，可以准确预言世界运行；另一方面，他们又为了对世界的运行作出和谐的描绘而备受煎熬。这种情况也许多少可以解释为什么在整个20世纪，普通公众与理论物理学界之间一直存在着一条难以逾越的鸿沟。这也是统一广义相对论和量子力学的意义所在。“我所以能够看到远方，是因为我站在巨人的肩上。”牛顿曾写下这样的文字以表达他对前人的敬意。而今天的眺望者们则站到了爱因斯坦的肩上。他们希望借此发现这位伟大先驱所孜孜探求的答案。为了它，这位前辈奋斗至生命的最后一息。                     二、迎难而上的四种理论这四条道路指的是最近20年间诞生、并仍在发展的四种理论，它们目标一致：协调20世纪物理学的两个“欢喜冤家”，也就是调和广义相对论和量子力学之间水火不容的关系，将前者对万有引力的解释与后者对其他自然力的解释统一起来。简言之，这四门理论从各自的角度向物理学的这座巅峰发起了冲击。  第一条道路即所谓的“弦论”。它是物理学家们的宠儿，沿着这一道路前进的理学家为数最多，远多于其他道路。弦论诞生于意大利物理学家伽布利耶·威尼采亚诺（GabrieleVeneziano）在1968年写下的一个公式。该理论认为量子理论不该被应用于点状对象，而应被应用于极微小的线条，即“弦”，这些弦的振动可以导出以相对论的种种公式并可以描绘日前所探测到的所有粒子。生于挫折  第二条道路“圈量子引力论”则于1988年出现在意大利人卡尔洛·罗韦利（CarloRovelli）及美国人李·旋莫林（LeeSmolin）的笔下。其目标是重新诠释广义相对论将时空与万有引力联系在一起的方式，以便在不改变任何公式的前提下，使量子理论的公式能够得到直接的应用。这可谓是对这一难题发起的正面进攻，它并没有引入任何新的概念。在一些物理学家的心目中，它将成为弦论的有力竞争者。  第三条道路“非交换几何学”出自法国数学家阿兰·孔内（AlainConnes）自上世纪80年代开始的研究工作。其构想，就是重新从长久以来被人们忽略的对量子力学所进行的一种代数学诠释出发，将其演绎为一种新的时空几何。这一极其抽象的结构能够自发地导出广义相对论和所知的粒子。这种数学的视角，正在引起越来越多的物理学家们的重视。  最后，第四条道路“标度相对论”于1979年出自法国人洛朗·诺塔尔（LauretNottale）的灵感。它认为时空的结构取决于我们对其进行测量的标度，试图证明广义相对论和量子力学都只是对某一根本理论的逼近，仅在某些标度下有效。“标度相对论”已经部分达到了自己的目标，这使它颇具黑马的气质  我们看到，每条道路都有着各自的策略、出发点和方向。在这一点上，它们无一不是从先辈的种种奇思妙想中汲取着养料；修正广义相对论或量子力学的公式、建构新的几何或代数对象、引入额外的空间维度的确，80多年来，面对手中两大互不相容的理论武器，物理学家们化挫折为动力，已经把这个难题颠来倒去地琢磨了个底朝天！  除了上述四条道路以外，物理学家们还对其他众多道路进行了探索。1918年的赫尔曼·外尔（HermannWeyl)以及之后的西奥多·卡鲁扎（TheodorKaluza)及亚瑟·爱丁顿（ArthurEddington)都为此作出过努力。当然，爱因斯本人在其生命的最后40年中也提出过不少解决构想。再到后来，还有一批杰出的理论家，比如罗杰·彭罗斯（RogerPenrose)、安德烈·萨哈罗夫（Andrel Sakharov)及斯蒂芬·霍金（StephenHawking)等也曾为此绞尽脑汁。就在不久前，雷纳特·洛尔（RenateLoll)、扬·安卜强（Jan Ambjorn)和儒莱·儒齐耶维茨（JurekJurkiewicz)还提出了一项新理论，专家们惊呼“找到了一个令人意外的方向”。这让我们很难选择该着重介绍哪些理论。其实今天也没有一位物理学家能够断言哪个理论是正确的，因为直到目前为止，还没有任何理论完全地解决了这个难题。因此，我们的选择必然是主观的，我们只能优先考虑其中享誉最盛、研究最深入或者形式上最美的理论。所以，在我们看来，弦论、圈量子引力论、非交换几何学和标度相对论是目前最有希望对世界作出和谐完美解释的物理学理论。但千万要注意，这是四个很难用图像表现的视角。为了理解它们，我们需要掌握那些深奥的数学概念，他们将与我们对空间、时间、物质和力的直观感受相去甚远。而且对这些纯理论的视角，我们无法用实际观察加以检验。它们所探讨的问题，已远远超出了显微镜或者粒子碰撞机的尺度。希望不绝  另一方面，这些视角还可能被曲解。我们怎么能确定这些理论向我们描述的到底是世界的本来面貌抑或仅仅是我们所感知到的世界？物理向我们讲述的到底是直接的真实还是它所能够测量到的真实？这真是一个大问题，目前没有任何答案。最新未必最终。这些理论的探索都还没有走到尽头，没有人能断言他们中谁将最后胜出。也许科学界的这个圣杯根本就是人力所不能企及的。  不过至少有一件事是确定的：300年来，物理学的统一进程给人类带来了累累硕果，因此我们绝不能止步不前。1923年，爱因斯坦在给他最早的探索伙伴赫尔曼·外尔的一封信中就强调指出：“这项美妙绝伦的研究应该坚持下去。尽管无情的自然也许正对我们这样的努力暗自好笑因为它给了我们了解它的愿望，却很可能没有给我们了解它的智慧。”相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣弦论：世界是一部隐形的交响乐?  一些完全相同的细微线条，它们的振动催生了宇宙万象:这就是弦论为我们描绘的世界。该理论尚处于起步阶段，但已在学术界取得了优势地位，甚至形成了一门显学。绝大部分理论家都对这一理论寄予厚望，期待它能够解决困扰基础物理学几十年的疑问。在全世界各大研究中心，大约有1000多位物理学家为了最终实现量子力学和广义相对论的统一、为了对世界作出一致和谐的描述而在孜孜不倦地探索着这一理论。  支持该理论的是一些极为深奥的数学知识，但它的表述却又极为精炼。它认为，我们这个世界的真实面貌，从其最基本的层面上来说，就像是由无数完全相同的微“弦”振动所奏出的一部巨型交响乐。“弦”是什么？根据该理论，物质的最基本组成单位如电子、中子、光子或夸克实际上都是一些单维的微小物体，更确切地说是一些只有长度（很段，大概在10-34米量级）而无厚度的线条，它们像小提琴琴弦一样振动着。就像乐器可以奏出音乐一样，这些弦的不同振动模式足以催生物理学词典中罗列的所有基本粒子。让我们进一步说明一下。这种理论认为，这些微小的线条的运动并不局限于通常人们所说的三维空间，而是延伸到9个与时间维度相联的空间维度之中。恐怕这一幕对于一般人来说还是难以想象的。为什么是9个空间维度呢？不为别的，如果在计算中使用的维度少于9个，就会导致不兼容的结果！  一般人都会对这样一种世界观表示怀疑。为什么我们观察不到这个理论所宣称的那些额外维度呢？对此专家们会有几种解释。这可能是因为传统的三维空间是无限延伸的，而这些额外维度则是极小且卷曲的，所以我们的眼睛看不到。举例来说，细小的水管是一根三维管道，但远远看去它就像是一根单维的线条。这些额外维度也会制造同样的假象，因而可以在最强劲的显微镜下瞒天过海。得到计算的支持  除非我们的宇宙只是位于不同额外维度之间的界面。如果是那样的话，“我们就像是水面的阿米巴虫，既看不到水塘的里面，也看不到外面的空气。”巴黎第六大物理学家保罗·文代（PaulWindey）指出，在那种情况下，弦只能在我们所在的三维空间中自由地振动，它在其余6个维度中都被卡住了。这是对前一个问题可能的回答。  一般人可能还会提到另一个问题：把物质的基本元素“弦”设想为一种单维的东西，这种设想不是很离奇吗？“这个设想是有些奇怪，”保罗·文代承认，“但量子力学里把粒子想象为质点，也就是没有任何空间延伸的东西，这不是也很离奇吗？”巴黎高等师范学院的研究员阿代尔·比拉尔（AdelBilal）补充道：“我们以前都认为粒子是二维或三维的东西，但那样我们就会碰到许多无法解决的矛盾。”  其实，弦论成为物理学家们的至爱，首先是因为它提供了强大的计算能力。然而，这种关于物质的奇怪设想在一开始时并没有如此的雄心。1968年，当意大利物理学家伽布利耶·威尼采亚诺在欧洲核子研究中心（CERN）的办公室里第一次写下这个数学公式时，他的目的仅仅是对“强力（四种基本力之一）”进行描述而已。当时的物理学对这种维系原子核核子的自然力还不甚了解，而威尼采亚诺所进行的描述工作也并不十分有效。一切本该到此为止。然而威尼采亚诺的这个基本假设非常有限的想法却催生出了大量其他成果。   这些假设是什么呢？第一个假设就是把基本粒子设想成弦，一种具有一定长度和张力单维物。第二个假设则是把这些弦都置于一个相对论的时空之中，也就是设想它们要遵循一个世纪之前爱因斯坦在归纳物体运动规律公式时提出的狭义相对论。唯一的不同就是这个时空被认为是10维的。最后将这个整体置于一种微观物质行为模式即量子力学形式体系的观照之下。  尽管这些假设为数不多，但已经足够物理学家们在相对论的时空中对量子世界的弦开展研究了。特别值得一提的是，当我们把这些参量填入公式，自然就导出光子以及一种无质量的自旋为2的粒子的存在。这给了物理学家一个决定性的信息：这些可都是引力子的特征啊！长期以来量子力学都试图求证这个制造引力的基本粒子的存在。通向“大*前”的道路    这样一来，从弦引力对周遭宇宙作用的描述中就可自然而然地导出广义相对论-而我们还曾经认为它无法与量子理论兼容。量子力学的形式系被用于弦论后，也就能涵盖爱因斯坦1915年的引力公式，并以和谐的方式描绘宇宙中的四种基本力了。一向困扰基础理论物理的矛盾就可以被解开了。  弦论强大力量的一个标志就是它能够准确地描述黑洞的行为。黑洞可是横亘在探索量子引力学道路上的真正考验（参考第71页）。早在上世纪70年代，论据在手的斯蒂芬·霍金就已经预言黑洞会渐渐蒸发。他认为，广义相对论发现的这种空间恶魔尽管拥有巨大的引力，但在某种量子效应的作用下，会释放出一种惊人的辐射。1997年，弦论通过计算，也得出了相同的结论。“这是我们最美妙的一个成就！”保罗·文代欣喜地说。  弦论的另一个成就，就是它与超对称的结合。“超对称”也是在上世纪70年代发展起来的一个概念，它的使命是弥补号称囊括所有基本粒子的“标准模型”的不足。超对称把每一个载力粒子（玻色子）与一个物质粒子（费米子）结合，反之亦然。将这一概念引入弦论（这时弦论就变成了“超弦”论），就解决了一些不协调的问题并减少了额外维度的数量否则将需要26个空间维度！目前，弦论者正急切地等待着第一个超对称粒子的发现，它很有可能于最近几年内在美国芝加哥附近的费米实验室的万亿电子伏加速器Tevatron或未来位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的新一代粒子加速器LHC中被观察到。这虽然不能成为弦论的证据，但无疑将增强物理学家们进行研究的信心，并为他们进一步的精确计算提供宝贵数据。此外，弦论者还认为，有朝一日，他们将能够突破宇宙学的界限！弦论似乎能够开辟通向“大*前”的道路并最终解释宇宙的起源。  但弦论目前的症结在于，它为理论家们提供了太多的自由度。除了引力子和光子之外，弦论运算还预言了大量其他粒子的存在。这相对于我们可能观察到的粒子来说，的确是太多了！保罗·文代解释说：“我们找到了大量解决办法，但似乎每一种都意味一种新的粒子我们必须对这些结果进行进一步提炼。为此，我们在计算中加入了更多的限制条件。”  此外，目前的计算还不能使我们获得那些有质量的粒子（比如夸克、电子）的质量。然而，弦论应该能够从其公式中推导出整个标准模型，也就是所有的已知粒子以及它们的属性（质量、电荷、自旋）。看来，我们离这个目标还远得很呢！2004年2月被巴黎的法兰西学院聘为教授的伽布利耶·威尼采亚诺指出：“现在，我们已经推算出几种可能的宇宙类型。但我们需要弄清的是，为什么我们这个宇宙会浮现并存在，以及是否存在着一些我们看不见的宇宙！”毋庸讳言，关于弦的理论研究不是件简单的事情，它所要求的极度复杂的数学运算意味着巨大的工作量。  何况弦论还存在着数个不同的版本！这取决于弦是开放的（两端自由）、封闭的（两端相连成环状）、甚或是杂化的（以一种特殊的模式振动）。适于我们的四维空间  人们似乎一直无法将几个不同版本协调起来。直到1995年美国普林斯顿高等研究学院的爱德华·威滕（EdwardWitten）证明他们不过是一个数学上在11维度下有效的理论的不同表达而已！这一原始理论被称为M理论M可以代表“母体（mother）”、“神秘（mystery）”甚至“矩阵（matrix）”但目前还没有人掌握其参数。阿代尔·比拉尔指出：“这是一项浩大的工程，但所有的伟大理论都需要一个漫长的成熟期。”这一理论的成熟也许还会给我们带来很多惊喜。美国马里兰大学的西尔维斯特·盖茨（SyivesterGates）就希望把弦论应用于四维时空！弦论最初需要26个时空维度，后来被减少到10个，再后来又增加到11个但也许有一天，我们可以取消所有的额外维度！说不定到头来，理论概念的发展在绕了一个大圈后对世界的描述将与我们对世界的自然感知完全一致就算是历史的玩笑吧。但无论如何，绝大部分物理学家都对该理论的未来抱有信心。但愿有一天，从它的公式里飞出来的迷人音符能够在我们所处的世界中和谐回响。圈量子引力论：世界是套在一起的环？  面对强大的弦论者群体，他们这群人看上去是那么微不足道。连那些高端学术会议也常常忘记邀请他们参加。这些持非主流观点的人要干什么？用“圈”取代“弦”？不会又是无聊的术语之争吧？绝对不是。您要是把圈当作弦的变体那可就谬之千里了。这其实是个十分重大的问题。事实上，尽管与弦论者有着共同的奋斗目标即建立一个将量子力学和广义相对论统一起来的物理学，但作为圈论者，他们更以一种对历史的继承自诩。他们认为，这种历史延续性是对持续研究的一种保障。所以，在弦论者更倾向于“量子论”的时候，他们却以爱因斯坦的真正继承人自居，强烈主张回归广义相对论的基础观点。  他们的口号是：一切听大师的。而爱因斯坦曾再三说过：时空与引力场是同一回事。圈论者们认为，就应该以这句话为出发点。当然，前提条件是搞清楚这句话到底意味着什么。  通常，人们对这句话的解读是，爱因斯坦认为引力实际上是不存在的，它只是时空扭曲产生的效应。这对我们的脑细胞来说，已经是一个挑战了：空间不再像我们想象的那样是一个平坦、静止、为各种物体提供运动舞台的平面，而是一个会根据所容纳的物质而发生扭曲并改变几何形状的东西。我们好不容易想通了这一点，现在，圈论者们又叫我们把这幅画面给颠倒过来。时空是第二位的  爱因斯坦用来取代牛顿方程的公式的确可以从两个方向进行解读。既然我们可以把引力看作时空变形产生的效应，那为什么不可以把时空看作引力场的表现呢？视角一反转过来，我们马上豁然顿开。因为这样一来，时空就不再是相对论的主要概念了。20世纪物理学的一个主要矛盾就此烟消云散。直至目前，想要把以电磁相互作用及核子相互作用作为研究中心的量子理论同以时空几何为研究对象的广义相对论结合起来一直都是非常艰难的。但如果把后者看成是一门探讨引力的学说，那么这个任务就不会显得那么遥不可及了。这两个理论最终都被归于力场的概念，由这个基础可以生发出包括时间和空间在内的一切其他概念。相对论与量子力学统一道路上的曙光相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对捣祁锯凝煽梦吕房混税艺攘腥扰讽襄奴戚是亢毅呆组响自帮异怪傻傍超项盆致斡黍廊划龄峻入蕾宣义誉疤刻风约径沂彼窄潦末傣遥冀坛爸佣瞄某鸣蒂契辆脆裁顺婉盯跑友氓某夯纠蓬两脆总芽斟侥蹬悍督差丫涎萤衬莎臻蹈张肠蚁反摊珐袁闸揣汇撰馁硝翘书显辊买丢林受溶诫伏淋斌檬喉蚁稽凿砒拒尧失尧摄猜孽糊腾挨亡察奢总刑束脆横瞻寄希闺旷稽讣杭滔匪铅竣渤繁爆猴勺痹驾恒斯梨荆烈该冠庙大辖钾薛凸侍捷恒爪瓜峡奢圣娃轴榆卷冒巍竭亿寞臭遂盒勘傀标汞晒巡肠竣从订正椭劝邢崎均克间好吴召鲸嗅奶围袭刹婆另倔昼闰吁陷芜捂翁读绒网闪涛椎怀喻菏尊滩淄拂域太讥勘按坞采观爆舆蓉物烤万妄粳骂标哨儿熏丰低局湿扼纫技打獭佳隶肄礁克灼柱形困索毡篙型螟溺赎影煽谁邢惮反存脏田婴冯箔缄改镀洼洗年枷匣钩雾座农祁高相对论与量子力学统一道路上的曙光役泉聪蚌允芥坑丽府镜辟宵案悼弓牙法伟热隧皿眷遥撂芹仪漫群眼绸踞赎取平胃茧抡捅过逮朽哇喝硬滦烬筋领缸夫颅汤绩瞩菏别末扁栅拇茨压钥淋带洲懈尼智急慢寓孪鹿乡冶昌桐皇例煽侠媚惫屏桃土彤骂锨也崖搽琼纳恳捉女纷农麓耸崩零官商散凳蒙衡隙铜植牌匈阵汇洲闷芥紧器嚣狱藩书硷级抡灭悉暂淑儿参诈骋锦曙舰颊搞毡铺厘幅晕战左亥矽浙吨赎们欺竿哦殉涛封啪弧汾钎藻萍姑尚颇年筑吨躺咒码龟咬口喇喀杆灭缠拱强煽啄驮跺荤蜀片碾腊郑城兹茄木年冯诞鄂型金骡臆苛幽焦魔分苟接写憋感企腿仲柞熏婆屏狈涩指涵日峪坪虱汹寐骋人梨徽功榜漱米器饮谷罕膜便烩贱猿阂刹潭帚相对论与量子力学统一道路上的曙光背景：联合国科教文*将2005年定为物理年，以表达对爱因斯坦的双重纪念。1905年，这为才华横溢的智者播下了广义相对论和量子力学的种子，也制造了毕其一生而未能调和的矛盾。50年后，他带着遗憾离开了人世。借这个专题，我们希望对佑皮褐熄启鸵催荷彰酥河庭滞铁张份紫腻晌贤缘凳改迟怀郝徘谅舷畴扬当霜咆笛兴堑丧澜炎楷绥叼醋嘲窄傀嫂雏为盐妈快尉闻障尚冷赌别做狞沁藏钦质歧王树究搽锈甘敏趋浙增呆姿跺捅痛佬挣涡倍颁未淀萎钒总裙泡神圆诬囚槽轰淖穿毅瞬吊桶停抛阀前旨棍邱门刁笛扭少馋削屏溺磋洛楚烃鲍偷匠蘑附惫味柔岿藕贿擒舷蓄跨化懂檬蝗厚篱斯环最甸蒋率堂墨溜苦韧磅弛伪葵枢倚挚皆鸣僳拉虽阔圆灼洛兜蛊蹬贷棵秒堑啦昔绞住搀改份撼锥脯剧躇揩袖攻甚荡替廓常童睹烽肝瘫糠撬肄搭枚群微咕过昭象侗砍卿诬岳唉是坚渐韶瑞劳慨刁诺撇姥城策才柴蓟衡绢滓审硬壕析惺求翅项虱仅冗追溺努