超弦－一种包罗万象的理论

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1、序在过去几年中，一个全新的非凡的理论占据了物理学家的想象。这个理论，即弦理论或更成熟的形式即超弦理论，声称能统一地描写所有的力，构成物质的所有基本粒子和时空。简言之，它是一个包罗万象的理论。这个理论的核心是认为物理世界是由一些很小的弦构成的。这听起来可能很荒谬，但理论是构筑在美妙的数学观念之上的，而且结论与现实世界是如此自洽。弦理论现在已经是理论物理最活跃的研究分支之一了，它吸引了很多著名的理论物理学家。一些科学家深受这个理论的前景的鼓舞，并且充满激情地宣称它可能成功。但是这个理论也不乏批判者，正如你将在书中读到的。1987年，我们决定在英国广播公司三台纪实地回顾超弦研究的状况。这个节目《寻

2、求超弦》在1988年初开始播出，内容是弦理论领头的支持者和反对者对这个论题的解释和意见。像我们以前的节目《原子中的幽灵》（牛津大学出版社，1986年）一样，它是先以纪实广播形式出现，然后再编辑成书的。我们觉得完整地出版这些采访录并保存它们是很有意义的。我们将尽量保持原始纪录的对话风格，当然，为了更适于付印，我们也不得不对采访录作一些变动。本书旨在让物理学家和好奇的读者对弦理论的基本思想有透彻的了解。我们也希望读者通过阅读本书了解那些杰出的物理学家是怎样谈论和辩论当代的重要问题的。因为本书是面向普通读者的，我们要求被采访者尽量少使用专业词语。每一个采访都是独立的，可以分开阅读。但是为了贯穿全书

3、，我们写了一个很长的引言，解释了一些理解本书所需的背景知识，包括相对论、量子论和粒子物理的概述。虽然超弦理论仍在发展之中，但理论的精要已经建立，我们希望本书将为读者提供我们时代有可能是最伟大的科学进展的一个有用的而有趣的快照。我们感谢伊安·莫斯博士在文字处理上对我们的帮助，同时也感谢艾琳·德莱堡小姐记录了录音。P.C.W.戴维斯J.R.布朗超弦你相信宇宙是由一些极小的弦构成，在人类生存的三维空间之外，还存在更多维的空间吗？近年来，“超弦”理论已成为物理学中最活跃、最激动人心的分支之一，吸引了众多著名物理学家的注意，他们声称“超弦”理论是一个包罗万象的理论，能统一地描述所有的力，物质的所有基本

4、粒子和时空。1996年8月22日人民日报和光明日报以“美科学家认为以‘弦论’为标志—物理学迎来第三次革命”为题刊载文章，将“弦论”与量子力学和爱因斯坦的相对论相提并论。1．引言1．1什么是包罗万象的理论？物理学是最自负的一门科学，物理学家把理解宇宙的奥秘视为自己的职责。而其他科学家只局限于研究一些具体的东西，像生物学家研究活的有机体，化学家研究原子和分子，心理学家研究人类及其他生物，等等。像神学家一样，物理学家们不承认任何系统在原则上处于他们的研究范围之外。当然，物理学家也承认他们实际上对大多数系统的认识是很有限的。像云和雪花这样基本的系统就很难用物理学家熟悉的定律来构造模型。而由于一些生物

5、系统极端复杂，即便最原始的生物如病毒或细菌，物理学家对它也一无所措。尽管这样，任何复杂系统不管多么神秘，其行为最终总是由物理定律所决定的，绝无例外。与此比较起来，那些在实践中的无能为力就显得微不足道了。简化主义哲学一直引导着物理定律细致入微地主宰着宇宙的观念。这个思想学派的鼓吹者，包括许多科学家，一直相信原则上心理学、生物学、化学可以依次简化，最后到物理学。换句话说，‘诠释之箭’一直射向现实的最深一层，最终任何事物都可由物质的基本组成来解释。简化主义者因而断定，假如一个关于物质的基本组成的自洽而完整的理论能够被阐明，那么，这个理论就是一个包罗万象的理论。在这里我们不准备争论简化主义的推理是否

6、正确，但要提到最近物理学家讨论的包罗万象的理论（或TOE）正是贯彻这种精神。这种“包罗万象的理论”不是要解释所有事物，像在数学里面，几何公理并没有真正解释毕达哥拉斯（Pythagoras）定理。确实，毕达哥拉斯定理可以从这些公理演绎得到，但是证明是非常繁杂的。这足我们明白，即使明确了物理世界的基本组成元素，我们也不能过分以使期望理解所有事物的复杂特性。所以，物理学家们的包罗万象的理论不能解决许多实际问题，如给我们提供云和雪花的模型的答案，更不用说生命的起源和意识的本质。但是，按照简化主义哲学，对上述现象的解释原则上可以由包罗万象的理论演绎而来。我们所知的第一个包罗万象的理论的例子是由公元前5

7、世纪的古希腊哲学家留基伯（Leucippus）和德谟克利特（Democritus）提出的原子说，他们认为世界是由原子和虚空构成的。原子有许多种，它们是不可穿透和破坏的，因此是基本的。原子没有内部结构，它们不能说是由更小的东西组成的，它们很小，不能直接观察到，也不能在虚空中处于连续运动的状态。原子相遇，就会互相粘合构成延续的物体，而这些原子的重新排列则引起了物理世界的任何改变。17世纪，伽利略（Galileo）