| 這是一本破天荒的書，著名物理學家斯莫林在書中指出作為所有其他科學的基礎的物理學迷失了方向。為什么物理學突然陷入了困境？我們能為它做些什么？斯莫林以清晰、熱情和權威的文字記述了弦理論的興起和衰落，并展望了可能取代它的理論。一群年輕的理論家已經開始探索一些激動人心的思想，它們和弦理論不同，是可以用實驗來檢驗的。斯莫林不但告訴我們未來幾年該關注哪些人、哪些事，還為找尋新的優秀人才提出了新的解決辦法——給我們一個機會，我們總能找到下一個愛因斯坦 |
緒言
致謝
第一篇 未完成的革命
第一章 理論物理學的五大問題
第二章 美的神話
第三章 幾何世界
第四章 統一成為科學
第五章 從統一到超統一
第六章 量子引力：岔路
第二篇 弦論簡史
第七章 孕育革命
第八章 第一次超弦革命
第九章 第二次革命
第十章 萬物之理
第十一章 人類的選擇
第十二章 弦理論解釋了什么
第三篇 弦論之外
第十三章 真實世界的驚奇
第十四章 站在愛因斯坦肩頭
第十五章 弦論后的物理學
第四篇 向經驗學習
第十六章 奈何社會學
第十七章 什么是科學
第十八章 預言家和工藝師
第十九章 科學到底是怎么運行的
第二十章 我們能為科學做什么
譯后
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物理學的困惑／（美）斯莫林著；李泳譯.—長沙：湖
南科學技術出版社，2008.4
(第一推動叢書)
書名原文:The Trouble with Physics
ISBN 978-7-5357-5240-6
I. 物… Ⅱ.①斯…②李… Ⅲ.物理學－普及讀物
Ⅳ.O4-49
中國版本圖書館CIP數據核字（2008）第049996號 |
斯莫林，在哈佛大學獲物理學博士學位，然后在耶魯大學和賓夕法尼亞州教書，后來去加拿大幫助建立了圓周理論物理研究所。他的作品有《宇宙的生命》和《通向量子引力的三條路》。
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弦圈之爭：基本粒子研究進入戰國時代
沈致遠
弦代表超弦理論(簡稱弦論)，圈代表圈量子引力論(簡稱圈論)。兩者均為“萬物之理”(theory of everything)之候選者。
萬物之本是什么？自古引人遐思。直到19世紀才有實驗根據，20世紀步步深入：分子、原子、原子核、核子、電子、夸克……1970年代物理學家根據已知的基本粒子及其三種相互作用力，總結出“標準模型”。這是一個非常成功的理論，為許多實驗所證實，有的竟達到百億分之一精確度！但標準模型有兩個缺點：一，其中包含人為設定的幾十個參數，不知其所以然；二，雖然在四種作用力中已將電磁力、弱力、強力統一起來，引力卻頑固地拒絕統一。引力頑固其來有自，愛因斯坦吃過它苦頭。完成廣義相對論后，他致力于統一引力和電磁力，窮后半生之力以失敗告終。
物理學家深信天道歸一：四種力是統一的，在夸克和電子等基本粒子后面肯定有更基本的東西。于是兵分兩路向萬物之本進軍。
一路是弦論的大兵團，人強馬壯聲勢浩大。經過1984年和1995年兩次“超弦革命”，聚集了號稱“全世界最聰明”的物理學家和數學家逾千人，發表論文以萬計！弦論認為：萬物之本是極其微小(普朗克長度10-35米)的弦(string)，在9維空間中飛快地振動。現實空間只有前后、左右、上下3維，這難不倒弦論者，他們認為多出的6維空間卷曲成極其微小的拓撲結構，隱藏起來了。弦不同的振動式樣相當于不同的粒子。一言以蔽之：萬物皆弦。
另一路是游兵散勇，除圈(loop)論外，還有旋子(spinor)、扭子(twistor)及非互易幾何(non-commutative geometry)諸論。圈論比較像樣，從事者也僅數百人。圈論由賓州州立大學阿什特卡(A.Arshtekar)于1980年代提出。此人就是在2001年“七棵松會議”上討論“時間是什么？”時，當場背誦老子《道德經》“此二者同出而異名/同謂之玄/玄之又玄/眾妙之門”的那位教授[1]。圈論將廣義相對論量子化：空間以普朗克長度分割為許多單元，物理現象由這些單元之間的聯絡決定。圈論認為粒子是空間的拓撲形體。一言以蔽之：萬物皆形。
早期在研究核子強相互作用時發現，將粒子當作弦可以解釋一些物理現象，但存在超光速粒子等問題，故而未引起主流物理學家注意。隨后標準模型的“量子色動力學”對強相互作用作出令人滿意的處理，弦論失去用武之地。1984年，施瓦茨(J.Schwarz)、格林(M.Green)和薩斯坎德(L.Susskind)等人解決了存在問題，并發現弦論中自動出現引力子。這非同小可！自愛因斯坦以降，多少人試圖將引力納入基本理論未成，這次不請自來，說明弦論可能有更深的含義。物理學家看到苗頭蜂擁而至，此為“第一次革命”。弦論從冷門一變而為顯學，不久又出現新問題：弦論有五種不同版本，不知何所從。
1995年，威滕(E.Witten)在洛杉磯集會上提出“M理論”：9維空間的五種弦論在10維空間中是等價的，除弦以外還有膜(brane)等。于是人心大振，聲勢空前高漲，此為“第二次革命”。威滕說M可代表膜、魔術、神秘、朦朧……隨你高興。
第二次革命后又十幾年過去了，弦論基本方程仍付闕如，其可能方案竟然有10500之多，相應于10500個不同的宇宙！批評者譏諷說：弦論從萬物之理變為“任意之理”(theory of anything)，無論什么實驗也無法推翻它，弦論者總可以像變戲法那樣變出一個理論使之與實驗符合。無法證偽，就不是科學。
弦論從量子論出發向廣義相對論靠攏，圈論從廣義相對論出發向量子論逼近。出發點不同，探索之途徑也大異其趣：弦論依賴于背景，需要有特定的時間空間(時空)作背景，好比演員只能在特定的舞臺上演出；圈論不依賴于背景，時空會自行出現，好比演員自己搭臺演出。后者在原則上有其優越性。
20多年來，弦論和圈論等各自發展。最近風云突變，圈論者推出兩本書。一本是《物理學之困境》[2]，作者斯莫林(L.Smolin)是哈佛大學物理學博士，從事弦論研究多年，后改弦易轍做圈論。他反戈一擊：弦論沒有實驗證明，連實驗方案都提不出來，這一擊正中要害。另一本是《甚至稱不上錯》[3]，作者沃伊特(P.Woit)是普林斯頓大學物理學博士，現任哥倫比亞大學數學系講師。書名就竭盡譏諷之能事：弦論根本不是理論，連錯都不夠格！
批評弦論不自今日始，不乏大師級人物。諾貝爾物理學獎獲得者費恩曼(R.Feynman)說過重話：“弦論者提不出實驗，只會找借口。”英國著名科學家彭羅斯(R.Penrose)在近作《現實之路》中，也對弦論進行鞭辟入里的批評[4]。2004年諾貝爾物理學獎獲得者、威滕的導師格羅斯(D.Gross)曾是弦論的熱烈支持者，最近在一次集會上說：“我們不知道自己在說什么！”
兩本書的出版引起了公眾的注意。著名弦論學者、哥倫比亞大學教授格林(B.Greene)在2006年10月20日《紐約時報》以長文進行反駁，題為“弦上的宇宙：不要放棄最有希望的物理學理論”。其主要論點是：弦論繼承愛因斯坦未竟之遺志，已積累了豐富的經驗，建立起美麗而嚴密的數學體系，是統一四種力的最有希望的理論。格林承認缺乏實驗證據是嚴重問題，他寄希望于將在2008年開始運行的歐洲大型強子對撞機(LHC)或許能作出支持弦論的實驗結果。他對“弦論20多年未出成果”的批評嗤之以鼻，罵道：“愚蠢！”平心而論未可厚非，科學史上難題有數百年未解的，“費馬大理”（Fermat’s Last Theo-rem）歷經350余年才得到證明，何況目標是“萬物之理”，如輕易到手反倒是很奇怪的。
弦論的大問題是實驗驗證，弦的尺度是10－35米，以實驗直接驗證，所需粒子加速器比銀河系還大！弦論提出的一些間接實驗方案至今無一成功。個別弦論者甚至宣稱：伽利略開創以實驗為根據的時代已經結束，弦論只需要數學美就夠了。他們忘記了物理學是實證科學，沒有實驗支持，理論再美只是鏡花水月。
說從事弦論者全是“最聰明的人”顯然夸大，但其中不乏佼佼者。弦論“教主”威滕就是罕見的天才。父親是物理學家，他從小耳濡目染，性格非常獨立，入大學本科主修歷史，副修語言學，讀研究生開始是經濟學。威滕缺乏物理學本科基本訓練直接讀研究生，不久就脫穎而出，發表幾篇重要論文。他獲得普林斯頓大學博士學位后為哈佛大學延聘，29歲當上正教授。后來又回到普林斯頓，哈佛認為未能留住他是最大錯誤。威滕已發表論文300多篇，主導弦論第二次革命，獲得數學最高獎——菲爾茲獎。“教主”一言九鼎，弦論學者唯馬首是瞻，只要他略為提示方向，就有許多人跟進發表大量論文。這次批評弦論者盡管言辭激烈，對威滕還是相當尊重的。
弦圈之爭方興未艾，半路殺出“程咬金”。澳洲一位名不見經傳的博士后比爾森·湯普森(S.Bilson-Thompson)在網上發表論文[5]，他在薩拉姆(A.Salam)等人的基礎上提出：夸克和電子等均為由三股先子(preon)梳成的“辮子”，其拓撲性質決定粒子的特性：扭轉(twist)代表電荷，交疊(cross)代表質量等其他特性。如此簡單的模型居然能用統一的幾何觀點，將標準模型第一代15個粒子及其相互作用解釋得清清楚楚。圈論主將斯莫林發現后，興奮得“又蹦又跳”，馬上將之收編到他所在的“周界理論物理研究所”。兩人和馬科普洛(F.Markopoulou)一起發表第二篇論文[6]，將“辮子”簡化為圈。原先圈論側重于引力量子化，對其余三種力及基本粒子著墨不多，比爾森·湯普森帶了一大群基本粒子入盟，使圈論有希望實現愛因斯坦之夢——對宇宙萬物作幾何解釋。但弦論者不以為然，認為這只是剛起步，還要走著瞧。
最近，我對兩位作者進行專訪。我問斯莫林：圈論和弦論有無共同之處？他說：“有！圈論可以幫助弦論成為不依賴于背景的理論。”我說：弦論發展出許多數學工具，圈論可以借鑒。他表示同意。我又問：圈論的3維空間和弦論的多維空間是否相容？他說：“圈論并不排斥多維空間。”我再問：圈論有沒有提出可行的實驗？他說：“有！圈論預言光子速度隨其能量增大而變慢，可由天文觀察檢驗。”
我問沃伊特：你對格林的反批評有何評論？他說：“格林會錯了意，斯莫林和我都沒有要求放棄弦論，只是主張給圈論等以一席之地。”弦論者常用一句話堵批評者之口：“It is the only game in town.（這是鎮上唯一的游戲） ”公然無視其他理論的存在，這種霸道對科學發展有害。我說：你在書中批評弦論有10500個不同版本。這說明弦論缺乏選擇規則，有朝一日發現選擇規則，不同版本定于一尊，可能嗎？他說：“從歷史看，弦論發展趨勢是版本不斷增加，這種可能性不大。”我說：科學史上的重大突破有些出乎意料之外：19世紀末，誰也沒有預料到量子力學的出現；20世紀初，如愛因斯坦未提出狹義相對論，別人也會提出，但廣義相對論沒有人料到。沃伊特說：“是的！你說的可能性不能排除。”我說：如“萬物之理”確實存在，其生母可能是弦論、圈論，或者現在還不知道的什么論，很可能是諸論之雜交。
我問兩人對今后發展的預測，他們認為理論物理學界都在等待，殷切企盼LHC開始運行后，能給出新的實驗結果為粒子物理學指明方向。最后沃伊特加了一句：“如LHC未發現新結果，就不知道該怎么辦了。”
學派之間互相批評本為正常，可以互相砥礪，有益于科學的發展。但這次的爭論有所不同，除學術歧見外，還有社會因素。弦論是顯學，占據一流大學物理系要津，幾乎囊括了有關的研究經費。圈論等缺乏研究經費，年輕的粒子物理學家如不做弦論，求職非常困難，資深的也難成為終身教授。長期當“小媳婦”受夠了，蓄之既久其發亦勃，恐怕不是格林一篇文章就能平息的。
弦圈之爭公開化，意味著基本粒子研究進入戰國時代，群雄并起百家爭鳴當可預期。這是大好事，科學從來就是在不斷挑戰和競爭中發展的。斯莫林提出識者(seer)和跟隨者(follower)之別，跟隨者充斥物理學界，他們“蕭規曹隨”大量制造論文，按部就班就能升遷；識者極少，在大學中一職難求。斯莫林大聲疾呼：物理學突破需要識者。我對他說：此論一針見血！其實不限于物理學，如無高瞻遠矚能見人所未見之識者，任何學科都會沉淪。
[1] 沈致遠. 七棵松會議花絮——時間是什么//科學是美麗的. 上海：上海教育出版社，2002.
[2] Smolin L. The Trouble with Physics. Boston New York: Hopughton Mifflin Company, 2006.
[3] Woit P. Not Even Wrong. New York: Basic Books, 2006.
[4] Penrose R. The Road to Reality. New York: Vintage Books, 2004.
[5] Bilson-Thompson S O. A Topological Model of Composite Preons, hep-ph/0503213, and preprint for Elsevier Science, May 19, 2006.
[6] Bilson-Thompson S O, Markopoulou F, Smolin L. Quantum Gravity and the Standard Model. hep-th/0603022.
[7] 沈致遠. 求諸野. 文匯報·筆會，2003-8-13.
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