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1 20世纪基本物理学的成就和问题 （1）三块基石 狭义相对论、广义相对论和量子力学是20世纪物理学的三块基石〔1〕。 1905年，A.爱因斯坦建立狭义相对论，其实质是研究时间、空间的度量性质受物质运动状态制约的规律的物理理论。狭义相对论对时间、空间相对性和时空统一结构的认识，是人们关于物质"运动是时间和空间的本质"〔2〕揭示过程中的一次重大飞跃。 1915年，爱因斯坦为克服狭义相对论的局限性，创建了广义相对论。广义相对论实质上是经典的相对论性引力理论，它提出的引力场方程，集中反映了空间、时间的度规性质和物质、运动的相互制约。 量子力学是微观粒子低速运动规律的理论，它和狭义相对论、广义相对论一起，构成20世纪物理学的理论基础。1923～1926年，通过L.德布罗意、W.海森堡、E.薛定谔和M.玻恩等人的努力，建立了非相对论量子力学。量子力学到现在已70多年，概括说来，其理论体系是自洽的，数学形式是优美的，物理内容和实验事实是符合的，而且它已成为20世纪物理学的核心。但其理论的物理解释和哲学意义，至今仍是激烈争论的场所。 （2）两个结合 所谓两个结合系指：一是量子力学和狭义相对论的结合，二是广义相对论和量子力学的结合。 把狭义相对论的时空框架和动力学结果，应用于量子力学，将导致相对论量子场论的产生。量子场论有传统的和规范的两种形式，前者一般称量子场论，后者称规范场论。1929年，海森堡和P.泡利建立了量子场论的普遍数学形式。在把传统的量子场论应用于电磁作用研究时，经过1948～1949年，J.施温格、朝永振一郎和R.费曼提出重正化理论，从而建立了量子电动力学。1954年，杨振宁和米尔斯提出规范场论，1967年，S.温伯格和A.萨拉姆提出SU（2）×U（1 ）弱作用和电磁作用统一模型，从而发展成为一个自洽的与实验事实符合的弱电统一规范理论。1973年，H.波利策、D.格罗斯和F.维尔切克等人，提出了量子色动力学，建立了夸克间强相互作用的SU（3 ）规范理论。在70年代后期，人们提出统一强作用、 弱作用和电磁作用的SU（3）×SU（2）×U（1 ）的所谓标准模型，这使得量子力学和狭义相对论的结合达到了高峰。 把量子力学和广义相对论相结合，就意味着要建立量子的相对论性引力理论，即量子引力理论，简称量子引力。首先遇到的是引力场量子化，接着就是量子引力的重正化，而量子引力的重正化被称为20世纪基本物理学的著名困难。由于引力常量具有－1的质量量纲， 因此量子引力是不可重正化的。这就是说量子引力理论中将出现不可消除的发散行为，从而使得所建立的量子引力是不自洽的。 （3）一个问题--建立量子引力 建立量子引力是现代物理学理论的核心问题。70年代中期以来对量子引力的研究，人们曾在超引力和超弦两个方向进行探索。 超引力〔3〕是超对称引力理论的简称。1971年，P. 雷蒙德等人在量子场论中提出一种新的对称性，它是联系自旋为半整数的粒子（费米子）和自旋为整数的粒子（玻色子）之间的对称性，称为超对称性。在超引力中，引力是通过超对称定域化而产生的，所以又称定域超对称性。由此建立的超引力有简单超引力和扩充超引力，在扩充超引力中，有10维超引力和11维超引力。在70年代末期的一次国际性的超引力会议上，人们曾举杯庆贺"为爱因斯坦雪耻"，但由于超引力最终仍是不可重正化的，且不能导出粒子的手征性，这样在80年代中期后，对超引力的研究就衰落下去。 继超引力之后，在探索量子引力的途径中，1981年，M.格林和J.许瓦兹提出了超弦模型，它是把超对称性和弦相结合的理论。超弦理论〔4〕认为构成我们物质世界最基本的组元不是点粒子， 而是具有超对称性的一维物质线段即弦。这种超对称性的弦称为超弦。弦的特征长度是普朗克长度～10[-33]厘米。粒子被看作是弦扰动的激发而产生的， 弦的每种振动模式对应于一种粒子。值得指出，10维超弦理论不仅避免了广义相对论和量子力学相结合时遇到的重正化困难，而且还把弱、电、强和引力四种作用看成是一种基本作用的各个不同的侧面。 2 M理论--21世纪基本物理学 首先给出M理论的由来，其次叙述M理论的重要概念，再次讨论M 理论的展望。 （1）从超弦到M理论〔5〕 M 理论是由10维超弦理论发展而来的，它至今还没有确定的名称，M是取Magic（魔术）、Mystery（神秘）、Marvel（惊奇）、 Membrane（膜）、Matrix（矩阵）、Mother of all theories（万理之母）的第一个字母而来，这说明M理论本身是很不成熟的， 或者说离成熟还是遥远的。 超弦理论提出至今，经过了两次革命。第一次革命（1984～1985年）产生了三个突破：第一个在1984年，格林和许瓦兹发现超弦的一个反常相消机制；第二个在1985年，D.格罗斯等人提出杂化弦理论，讨论了规范群E[,8]×E[,8]的有关问题；第三个也在1985年，E.威特恩等人提出把杂化弦紧致化，可以过渡到4 维时空超对称爱因斯坦-杨-米尔斯理论，紧致化空间为卡拉比-丘流形。超弦理论至此有五种不同型式，它们是Ⅰ型、ⅡA型、ⅡB型、杂化弦E[,8]×E[,8]和杂化弦SO（32）。至于超弦理论为什么具有这五种不同的型式，人们不知其进一步原因。此后到90年代初期，超弦唯象学的研究成果主要表现在模型构建、有效作用量、模型无关结果和超对称破缺四个方面。第二次革命（1995 ～1997年）期间，人们研究了超弦理论的对偶性问题， 认识到五种超弦理论起源于某个11维理论的第11维卷曲，这个理论称为M理论。 并预言弦可以和具有不同维数的膜存在，即p-brane民主。在这期间还研究了D-brane、非微扰解、矩阵理论、量子黑洞和量子宇宙等方面的问题。 （2）M理论的重要概念 为了对M理论的哲学问题思考方便，现将M理论的重要概念〔6〕，作些简单的介绍和说明。 ①超块 M理论推广了超弦的基本思想， 认为构成我们世界的基本组元是块（brane或nugget）。所谓块是指既包含1维的弦，又包含2维的膜， 更包含3维的体，还含有高于3维的物质实体。块（brane ）是具有超对称性的，所以把它们称为超块。文献中通常把这些块写为p-brane，即 p维延展体，p＝1，2，3......，此种p＝1是弦，p＝2是膜，p＝3是三维体，等等。 名称"p-brane"是由P-汤森德创造的。有各种具体的超块，如Dp-brane或D-brane、M2-brane、M5-brane、杂化5-brane 等。此中D-brane是重要的，它是狄利克雷（Dirichlet）brane缩写。 D-brane是在ⅡA型和ⅡB型弦论中，弦可终止其上的动力学对象。 ②时空11维 M理论的时空是11维的，其中时间是1维的，空间是10维的。由于现实空间是3维的，多余的7维空间称为额外空间，而额外空间一般应紧致化，紧致化后的空间其线度大小是普朗克长度，所以人们观测不到。剩下的4维时空，正是我们的现实世界具有的。 ③对偶性 如果两种或多种理论显现是完全不同的，但实际上却给出等同的物理结果，这些理论称为对偶性。超弦理论中的对偶性是一种强弱对偶性。1993年，A.森研究S对偶性；1994年，A.基文等研究T对偶性；1995年，C.胡尔和汤森德提出U对偶性。在1995～1996年期间，对T-S-U对偶性及其在不同弦真空中关联的研究，人们猜测到存在一个基本理论，这个理论称为M理论。当M理论紧致化到10维时，我们得到ⅡA 型和杂化弦E[,8]×E[,8]，继续紧致到9维时，所有五种超弦和M理论合并到一个统一的框架。它们之间的对偶性网络，可以图示如下： 附图  ④非微扰解和矩阵理论 如果一个理论的真实性的特征，不是依赖于近似的微扰计算，而是精确的，那么就称此理论是非微扰的。超弦理论是以微扰论的形式建立起来的，在超弦理论中，和紧致化相关的一个问题，是如何挑选理论众多的可能经典解中的一个为实际所取的解。现今具有轨形（orbifold）和卡拉比--丘空间的可能的经典解有数百万个，看来只有非微扰的表述，才能回答这些真空中的那一个是正确的解。 当今M理论非微扰描述的流行形式， 是在矩阵理论名称下来构建的。对于通过d＝10超对称U（n ）杨-米尔斯理论维数约化到的具有矩阵自由度和32个超荷的一个量子体系，称为矩阵理论。它在大n 的极限下，被定义为M理论。 ⑤M理论和量子黑洞 已知黑洞一方面是广义相对论所研究的对象，另一方面它进行霍金辐射时，又遵从量子力学的规律。因此探讨黑洞的性质，正是需要广义相对论和量子力学相结合的理论来加以处理，这是对现代物理学的严重挑战。 M理论把黑洞引力系统作为brane组合来处理， 即在此情况下D -branes被解释成黑洞。1996年，J.普洛欣斯基，A.斯特洛明格和C.范法应用BPS态和D-branes对黑洞熵进行量子计算，正确做出了伯肯斯坦-霍金关系式的统计推导，从而把这个困难的量子黑洞研究向前推进一步。1997年，J.马尔德森纳通过对量子黑洞的分析，提出一个猜测，即"马尔德森纳猜测"，人们认为这个猜测反映了第二次超弦革命的顶峰。 （3）M理论存在的问题〔7〕 由上可知，M 理论可能是克服广义相对论和量子力学不自洽的唯一最有希望的理论，同时又是统一自然界四种基本作用的最佳候选者。当然目前M理论的理论框架还是很初步的，不少重要的问题没有解决， 例如，它的基本原理是什么？基本运动方程是什么？非微扰解如何求得？理论怎样进行实践检验？如何建立统一的量子宇宙理论？等等，这些基本问题都有待于21世纪物理学者付出极大的努力。 3 M理论的哲学思考 如所周知，粒子物理学是研究我们宇宙物质的基本结构、相互作用基本规律和时间空间微观性质的一个现代物理学分支，而M 理论则是粒子物理学基本理论的前沿阵地。从对M 理论的重要概念的叙述中看到，它所研究的问题是相当普遍和根本的，这就必然涉及到哲学上一系列范畴，如物质、运动、相互作用、时间、空间、因果性等，因此M 理论和自然哲学间的关系就是非常密切的。现在我们就五个方面对M 理论所引起的哲学问题加以简短地讨论。 （1）物质结构基本组元的统一性 世界是永恒运动着的物质，而物质结构具有层次性。单就微观结构而言，在20世纪中，物理学曾认同的称为物质的基本层次或基本组元的，就反复变更了数次。这里基本组元中的"基本"所指，是最原初的、最简单的、不可再分的意义。其认同过程图式可概括为： 原子层次--电子、原子核层次--电子、质子、中子层次--夸克、轻子层次--超块（含超弦）层次 由于M理论实质上是宇宙创生的物理理论， 从我们宇宙创生和演化角度来看，超块层次就是我们宇宙形成的最原初、最简单、不可再分的层次，超块就是我们宇宙的基本组元。当然在哲学上这将涉及到，物质到底是有限可分，还是无限可分长期反复争论的问题。 （2）空间高维性和量子性 已知M理论是11维的，其中空间是10维的， 这就是说空间具有高维性（维数＞3）。 在微观领域中，人们确信物质运动遵从量子力学的规律。当把这个思想加以彻底贯彻时，空间量度就应是量子化的即断续的。换句话说，空间尺度应该是某一最小长度的整倍数，这个最小长度目前认为是普朗克长度。空间尺度量子化，在哲学上具有重要的意义，因为这将导致空间大小不是无限可分的论断。〔8〕 根据M理论的非微扰表述，即矩阵理论形式， 可知空间概念是近似的，因此我们对在宇宙创生期空间时间多种多样的性质，还需要进一步加以认真探索。 （3）相互作用基本规律的统一性 在M理论中， 通过对五种不同超弦理论的对偶性及其在不同弦真空中关联的研究，得出不同弦的真空态，正是11维M 理论中单一真空在不同情况下的特殊状态。从而用M 理论统一了五种不同超弦理论和低能下的11维超引力，使弱、电、强和引力四种相互作用规律成为单一作用规律的不同侧面。这种统一性，从我们宇宙的起源和演化观点来考察，是容易理解的。 在M理论中，相互作用基本规律的统一性， 正是物质的基本组元超块于11维高维时空中运动的理论框架下得到的。由此实现了物质结构、相互作用和时空性质的密切联系和高度综合，这充分表明辩证唯物主义关于物质、运动和时间、空间相互联系思想的正确性。 （4）时间一维性和单向性 时间的本性是20世纪物理学的一个令人十分困惑的问题。 时间是断续的，还是连续的？在经典物理学中认为时间是连续变化的，例如在狭义相对论、广义相对论中都是如此。事实上，即使在传统量子场论和规范量子场论中也是这样。 但在M理论中，已知空间量度是量子化的， 而空间与时间具有密切联系的统一形式，因此时间也应是量子化的，即时间是非连续变化的，目前认为时间的量子是普朗克时间～10[-43]秒。时间是断续变化的，这对传统的时间概念具有挑战性。 在M理论中，时间是1维的。但时间是否可以有二维的？或者更高维的？在超引力理论中，有人曾提出时间是二维的观点，从而试图据此建立12维超引力理论。显然这里难以克服的困难是当把这个12维理论过渡到现实的4维理论时，所多出的1维时间必须消失。这在物理学中所反映的过程是什么？在哲学上又是什么意义？确是极难解答的问题。 已知时间是1维的， 但它是否可以具有两个方向：指向未来和指向过去？在现实世界中，时间永远指向未来，不能回到过去，这就是时间的方向性或时间箭头〔9〕，那么时间到底是否可能指向过去？ 在物理学中，根据狭义相对论的要求，时间不可能回到过去。因为这样将和光速不变原理冲突，此时物质信号的传播速度必须大于光速，从而这是不可能的。但是在广义相对论和量子宇宙学中，却都有蛀洞解存在。1988年，K.索恩等人对洛伦兹蛀洞特性进行分析，确认有可能穿越蛀洞的存在，从而实现回到过去的时间旅行，并据之设计时间机器。然而这将导致一系列和现实世界存在的物理过程相互矛盾的所谓时间佯谬，例如不孝之子可以回到其父母未生出他的过去，就把其父母杀死等悖论。在哲学上这显然是破坏因果律的。当然这个问题，在物理学中还有着分歧和争论〔10〕。 （5）我们宇宙创生问题 我们知道量子宇宙学是应用量子引力理论研究我们宇宙创生期（～10[-43]秒）的结构和演化规律的现代宇宙学。 目前它有两种理论形式：一为80年代兴起的通称为量子宇宙学，其主要成果是由霍金贡献的；另一为90年代把M理论应用到宇宙创生期的研究，称为M理论宇宙学。由于M理论实质上是天生的宇宙创生的理论，因此M理论是极有活力的，尽管它的成就还是很初步的。 在M理论宇宙学中， 最近两年（1998 ～1999 年）有所谓块世界（brane worlds）理论〔11〕，其基本观念是把我们生活的膨胀三维空间宇宙，作为一个片或区域壁即"3-brane"，它是在更高维的巨大时空中运动。这是一个颇为诱人的新思想，当然需要做许多工作才能使它完善起来。 为此我们根据M理论的主要思想， 对有关宇宙创生的哲学问题做一些思考。 如所周知，我们宇宙起源于大约150亿年前的高温、 高密物质团块的一次大爆炸，且不断膨胀而来。但是这个高温、高密物质团块或称为宇宙泡又是如何而来？根据M 理论，这个宇宙泡起源于量子宇宙真空。由量子场论可知，真空是基态的量子场，它是物质的基本形态，并且在永无休止地振荡着。基于振荡产生随机性的涨落，因此就会激发出高密、高温的宇宙泡或物质团块。宇宙泡由于具有不稳定性，就会自发地出现剧烈相变，形成所谓大爆炸。4维部分膨胀开来， 这就是我们现实宇宙，剩下的部分卷曲，即所谓紧致化。这就是所谓的11维宇宙的分裂。 在我们宇宙来源于量子宇宙真空涨落的思想明确之后，人们也许会提出量子宇宙真空来源于何处的问题。 对于这个问题，在M理论中， 实质上是认为量子宇宙真空是第一假设、第一原理，就是说这是基本假定、根本出发点，其真理性来源于物理学的实践。从自然哲学来看，量子宇宙真空就是第一存在、第一推动，这和真空是物质的基本形态论断相一致。但是西方近年来有些人把量子真空和上帝联系起来，例如1997年5月， 在美国加州贝克莱举行一次学术会议，其名称为"God of the quantum vacuum "（量子真空上帝）〔12〕，会上有些学者歪曲科学成果，给所谓上帝创造世界寻找论据，显然这是不正确的。 ※※※※※※ 孔德之容，唯道是从。 |
