但量子論的道路仍未走到盡頭,雖然它已經負擔了太多的光榮和疑惑,但命運仍然註定了它要繼續影響物理學的將來。在經歷了無數的風雨之後,這一次,它面對的是一個前所未有強大的對手,也是最後的終極挑戰--廣義相對論。

 

標準的薛定諤方程是非相對論化的,在它之中並沒有考慮到光速的上限。而這一工作最終由狄拉克完成,最後完成的量子場論實際上是量子力學和狹義相對論的聯合產物。當我們僅僅考慮電磁場的時候,我們得到的是量子電動力學,它可以處理電磁力的作用。大家在中學裡都知道電磁力:同性相斥,異性相吸,量子電動力學認為,這個力的本質是兩個粒子之間不停地交換光子的結果。兩個電子互相靠近並最終因為電磁力而彈開,這其中發生了什麼呢?原來兩個電子不停地在交換光子。想像兩個溜冰場上的人,他們不停地把一隻皮球拋來拋去,從一個人的手中扔到另一個人那裡,這樣一來他們必定離得越來越遠,似乎他們之間有一種斥力一樣。在電磁作用力中,這個皮球就是光子!那麼同性相吸是怎麼回事呢?你可以想像成兩個人背靠背站立,並不停地把球扔到對方面對的牆壁上再反彈到對方手裡。這樣就似乎有一種吸力使兩人緊緊靠在一起。

 

但是,當處理到原子核內部的事務時,我們面對的就不再是電磁作用力了!比如說一個氦原子核,它由兩個質子和兩個中子組成。中子不帶電,倒也沒有什麼,可兩個質子卻都帶著正電!如果說同性相斥,那麼它們應該互相彈開,而怎麼可能保持在一起呢?這顯然不是萬有引力互相吸引的結果,在如此小的質子之間,引力微弱得基本可以忽略不計,必定有一種更為強大的核力,比電磁力更強大,才可以把它們拉在一起不致分開。這種力叫做強相互作用力。

 

聰明的各位也許已經猜到了,既然有「強」相互作用力,必定相對地還有一種「弱」相互作用力,事實正是如此。弱作用力就是造成許多不穩定的粒子衰變的原因。這樣一來,我們的宇宙中就總共有著4種相互作用力:引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。它們各自為政,互不管轄,遵守著不同的理論規則。

 

但所有這些力的本質是什麼呢?是不是也如同電磁力那樣,是因為交換粒子而形成的?日本物理學家湯川秀樹--他或許是日本最著名的科學家--預言如此。在強相互作用力中,湯川認為這是因為核子交換一種新粒子--介子(meson)而形成的。他所預言的介子不久就為安德森等人所發現,不過那卻是一種不同的介子,現在稱為μ子,它和湯川理論無關。湯川所預言的那種介子現在稱為π子,它最終在1947年為英國人鮑威爾(Cecil Frank Powell)在研究宇宙射線時所發現。湯川獲得了1949年的諾貝爾物理獎,而鮑威爾獲得了1950年的。對於強相互作用力的研究仍在繼續,人們把那些感受強相互作用力的核子稱為「強子」,比如質子、中子等。1964年,我們的蓋爾曼提出,所有的強子都可以進一步分割,這就是如今家喻戶曉的「誇克」模型。每個質子或中子都由3個誇克組成,每種誇克既有不同的「味道」,更有不同的「顏色」,在此基礎上人們發明了所謂的「量子色動力學」(QCD),來描述。誇克之間同樣通過交換粒子來維持作用力,這種被交換的粒子稱為「膠子」(gluon)。各位也許已經有些頭暈腦脹,我們就不進一步描述了。再說詳細描述基本粒子的模型需要太多的筆墨,引進太多的概念,但我們的史話所留下的篇幅已經不多,所以只能這樣簡單地一筆帶過。如果想更好地瞭解有關知識,蓋爾曼曾寫過一本通俗的讀物”誇克與美洲豹”,而偉大的阿西莫夫(Isaac Asimov)則有更多精采的論述,雖然時代已經不同,但許多作品卻仍然並不過時!

 

強相互作用是交換介子,那麼弱相互作用呢?湯川秀樹同樣預言它必定也交換某種粒子,這種粒子被稱為「中間玻色子」。與強作用力所不同的是,弱相互作用力的理論形式看上去同電磁作用力非常相似,這使得人們開始懷疑,這兩種力實際上是不是就是同一種東西,只不過在不同的環境中表現得不盡相同而已?特別是當李政道與楊振寧提出了弱作用下宇稱不守恆之後,這一懷疑愈加強烈。終於到了60年代,統一弱相互作用力和電磁力的工作由美國人格拉肖(Sheldon Glashow)、溫伯格(Steven Weinberg)和巴基斯坦人薩拉姆(Aldus Salam)所完成,他們的成果被稱為「弱電統一理論」,3人最終為此得到了1979年的諾貝爾獎。該理論所預言的3種中間玻色子(W+,W-和Z0)到了80年代被實驗所全部發現,更加證實了它的正確性。

 

物理學家們現在開始大大地興奮起來了:既然電磁力和弱作用力已經被證明是同一種東西,可以被一個相同的理論所描述,那麼我們又有什麼理由不去相信,所有的4種力其實都是同一種東西呢?所有的物理學家都相信,上帝--大自然的創造者--他老人家是愛好簡單的,他不會把我們的世界搞得複雜不堪,讓人搖頭嘆氣,他必定按照某一種標準的模式創造了這個宇宙!而我們要做的工作,就是把上帝所依據的這個藍圖找出來。這藍圖必定只有一份,而所有的物理現象,物理力都被涵蓋在這個設計之中!如果模仿”獨立宣言”中那著名的句子,物理學家完全願意宣稱:

 

我們認為這是不言而喻的事實:每一種力都是被相同地創造的。

 

We hold the truth to be self-evident,that all forces are created equal.

 

是啊,要是真有那麼一個理論,它可以描述所有的4種力,進而可以描述所有的物理現象,那該是怎樣一幅壯觀的場面啊!那樣一來,整個自然,整個物理就又重新歸於統一之中,就像史詩中所描寫的那個傳奇的黃金時代與偉大的經典帝國,任何人都無法抗拒這樣一種誘人的景象,仿佛一個新的偉大時代就在眼前。戎馬已備,戈矛已修,浩浩蕩蕩的大軍終於就要出發,去追尋那個失落已久的統一之夢。

 

現在,弱作用力和電磁力已經被合併了,下一個目標是強相互作用力,正如我們已經介紹的那樣,這塊地域目前為止被量子色動力學所統治著。但幸運地是,雖然兵鋒指處,形勢緊張嚴峻,大戰一觸即發,但兩國的君主卻多少有點血緣關係,這給和平統一留下了餘地:它們都是在量子場論的統一框架下完成的。1954年,楊振寧和米爾斯建立了規範場論,而吸取了對稱性破缺的思想之後,這使得理論中的某些沒有品質的粒子可以自發地獲得品質。正因為如此,中間玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一個框架內。而反觀量子色動力學,它本身就是模仿量子電動力學所建立的,連名字都模仿自後者!所不同的是光子不帶電荷,但膠子卻帶著「顏色」荷,但如果充分地考慮自發對稱破缺的規範場,將理論擴充為更大的單群,把膠子也拉進統一中來並非不可能。這樣的理論被驕傲地稱為「大統一理論」(Grand Unified Theory,GUT),它後來發展出了多個變種,但不管怎樣,其目標是一致的,那就是統一弱相互作用力、強相互作用力和電磁力3種力,把它們合併在一起,包含到同一個理論中去。不同的大統一理論預言了一些不同的物理現象,比如質子可能會衰變,比如存在著磁單極子,或者奇異弦,但可惜的是,到目前為止這些現象都還沒有得到確鑿的證實。退一步來說,由於理論中一些關鍵的部分比如希格斯玻色子的假設到目前為止都尚未在實驗中發現,甚至我們連粒子的標準模型也不能100%地肯定正確。但無論如何,大統一理論是非常有前途的理論,人們也有理由相信它終將達到它的目標。

 

可是,雖然號稱「大統一」,這樣的稱號卻依舊是名不副實的。就算大統一理論得到了證實,天下卻仍未統一,四海仍未一靖。人們怎麼可以遺漏了那塊遼闊的沃土--引力呢?GUT即使登基,他的權力仍舊是不完整的,對於引力,他仍舊鞭長莫及。天無二日民無二君,雄心勃勃的物理學家們早就把眼光放到了引力身上,即使他們事實上連強作用力也仍未最終征服。正可謂尚未得隴,便已望蜀。

 

引力在宇宙中是一片獨一無二的區域,它和其他3種力似乎有著本質的不同。電磁力有時候互相吸引,有時候互相排斥,但引力卻總是吸引的!這使它可以在大尺度上累加起來。當我們考察原子的時候,引力可以忽略不計,但一旦我們的眼光放到恒星、星雲、星系這樣的尺度上,引力便取代別的力成了主導因素。想要把引力包含進統一的體系中來是格外困難的,如果說電磁力、強作用力和弱作用力還勉強算同文同種,引力則傲然不群,獨來獨往。何況,我們並沒有資格在它面前咆哮說天兵已至,為何還不服王化云云,因為它的統治者有著同樣高貴的血統和深厚的淵源:這裡的國王是愛因斯坦偉大的廣義相對論,其前身則是煌煌的牛頓力學!

 

物理學到了這個地步,只剩下了最後一個分歧,但也很可能是最難以調和和統一的分歧。量子場論雖然爭取到了狹義相對論的合作,但它還是難以征服引力:廣義相對論拒絕與它聯手統治整個世界,它更樂於在引力這片保留地上獨立地呼風喚雨。從深層次的角度上說,這裡凸現了量子論和相對論的內在矛盾,這兩個20世紀的偉大物理理論之間必定要經歷一場艱難和痛苦的融合,才能孕育出最後那個眾望所歸的王者,完成「普天之下,莫非王土」的宏願。

 

物理學家有一個夢想,一個深深植根於整個自然的夢想。他們夢想有一天,深壑彌合,高山夷平,荊棘變沃土,歧路變通衢。他們夢想造物主的光輝最終被揭示,而眾生得以一起朝覲這一終極的奧秘。而要實現這個夢想,就需要把量子論和相對論真正地結合到一起,從而創造一個量子引力理論。它可以解釋一切的力,進而闡釋一切的物理現象。這樣的理論是上帝造物的終極藍圖,它講述了這個自然最深刻的秘密。只有這樣的理論,才真正有資格稱得上「大統一」,不過既然大統一的名字已經被GUT所佔用了,人們給這種終極理論取了另外一個名字:萬能理論(Theory of Everything,TOE)。

 

愛因斯坦在他的晚年就曾經試圖去實現這個夢想,在普林斯頓的那些日子裡,他的主要精力都放在如何去完成統一場論上(雖然他還並不清楚強力和弱力這兩個王國的存在)。但是,愛因斯坦的戰略思想卻是從廣義相對論出發去攻打電磁力,這樣的進攻被證明是極為艱難而傷亡慘重的:不僅邊界上崇山峻嶺,有著無法克服的數學困難,而且對方居高臨下,地形易守難攻,占盡了便宜。雖然愛因斯坦執著不懈地一再努力,但整整30年,直到他去世為止,仍然沒能獲得任何進展。今天看來,這個失敗是不可避免的,廣義相對論和量子論之間有一條深深的不可逾越的鴻溝,而愛因斯坦的舊式軍隊是絕無可能跨越這個障礙的。但在另一面,愛因斯坦所不喜歡的量子論迅猛地發展起來,正如我們描述的那樣,它的力量很快就超出了人們所能想像的極限。這一次,以量子論為主導,統一是否能夠被真正完成了呢?

 

歷史上產生了不少量子引力理論,但我們只想極為簡單地描述一個。它近來大紅大紫,聲名遠揚,時髦無比,倘若誰不知道它簡直就不好意思出來混。大家一定都明白我說的是超弦(Superstring)理論,許多讀者迫使我相信,如果不在最後提一下它,那麼我們的史話簡直就是一肚子不合時宜。

 

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飯後閒話:霍金打賭

 

1999年,霍金在一次演講中說,他願意以1賠1,賭一個萬能理論會在20年內出現。現在是不是真的有人和他打這個賭我暫時不得而知,不過霍金好打賭是出了名的,咱們今天就來閒話幾句打賭的話題。

 

我們所知的霍金打的最早的一個賭或許是他和兩個幼年時的夥伴所打的:他們賭今後他們之間是不是會有人出人頭地。霍金出名後,還常常和當初的夥伴開玩笑說,因為他打贏了,所以對方欠他一塊糖。

 

霍金33歲時,第一次就科學問題打賭,之後便一發不可收拾。今天我們所熟知的最有名的幾個科學賭局,幾乎都同他有關。或者也是因為霍金太出名,太容易被媒體炒作渲染的緣故吧。

 

1974年,黑洞的熱潮在物理學界內方興未艾。人們已經不太懷疑黑洞是一個物理真實,但在天文觀測上仍沒有找到一個確實的實體。不過已經有幾個天體非常可疑,其中一個叫做天鵝座X-1,如果你小時候閱讀過80年代的一些科普書籍,你會對這個名字耳熟能詳。霍金對這個天體的身份表示懷疑,他和加州理工的物理學家索恩(Kip Thorne)立下字據,以1年的”閣樓”(Penthouse)雜誌賭索恩4年的”私家偵探”(Private Eye)。大家也許會對霍金這樣的大科學家竟然下這樣的賭注而感到驚奇(Penthouse大家想必都知道,是和Playboy齊名的男性雜誌,不過最近倒閉了),呵呵,不過飲食男女人之大欲,反正他就是這樣賭的。今天大家都已經知道,宇宙中的黑洞多如牛毛,天鵝X-1的身份更是不用懷疑。1990年霍金到南加州大學演講,當時索恩人在莫斯科,於是霍金大張旗鼓地闖入索恩的辦公室,把當年的賭據翻出來印上拇指印表示認輸。

 

霍金後來真的給索恩訂了一年的”閣樓”,索恩家裡的女性成員對此是有意見的。但那倒也不是對於”閣樓”有什麼反感,在美國這種開放社會這不算什麼。反對的原因來自女權主義:她們堅持索恩應該賭一份適合both男女閱讀的雜誌。當年索恩還曾贏了錢德拉塞卡的”花花公子”,出於同樣的理由換成了”聽眾”。

 

霍金輸了這個場子很是不甘,1年後便又找上索恩,同時還有索恩的同事,加州理工的另一位物理學家普雷斯基(John Preskill),賭宇宙中不可能存在裸奇點,負者為對方提供能夠包裹「裸體」的衣服。這次霍金不到4個月就發現自己還是要輸:黑洞在經過霍金蒸發後的確可能保留一個裸奇點!但霍金在文字上耍賴,聲稱由於量子過程而產生的裸奇點並不是賭約上描述的那個由於廣義相對論而形成的裸奇點,而且那個證明也是不嚴格的,所以不算。逃得了初一逃不過十五,1997年德州大學的科學家用超級電腦證明了,當黑洞坍縮時,在非常特別的條件下裸奇點在理論上是可以存在的!霍金終於認輸,給他的對手各買了一件T恤衫。但他還是不服氣的,他另立賭約,賭雖然在非常特別的條件下存在裸奇點,但在一般情況下它是被禁止的!而且霍金在T恤上寫的字更是不依不饒:大自然討厭裸露!

 

霍金在索恩那裡吃了幾次虧了,這次不知是否能翻盤。當然索恩也不是常賭不敗的,他曾經和蘇聯人澤爾多維奇(Zel′dovich)在黑洞輻射的問題上打賭,結果輸了一瓶上好的名牌威士卡。有時候霍金和索恩還會聯手,比如在黑洞蒸發後是否吐出當初吃掉的資訊這一問題上。霍金和索恩賭它不會,而普雷斯基賭它會,賭注是「資訊」本身--勝利者將得到一本百科全書!這個問題迄無定論,不過從最近發展的勢頭來看,霍金又有輸的危險。今年(2004年)初,俄亥俄州立大學的科學家用弦論更為明確地證明了,黑洞很可能將吐出資訊!

 

2000年,霍金又和密歇根大學的凱恩(Gordon Kane)賭100美元,說在芝加哥附近的費米實驗室裡不可能發現所謂的「希格斯玻色子」(這是英國物理學家希格斯於1964年預言的一種有重要理論意義的粒子,但至今尚未證實)。後來他又和歐洲的一些粒子物理學家賭,說日內瓦的歐洲粒子物理實驗室裡也不可能發現希格斯子。這次霍金算是贏了,至今仍然沒有找到希格斯子的蹤跡。不過霍金對於這個假設的嘲笑態度使得許多粒子物理學家十分惱火,甚至上升為宇宙物理學家和粒子物理學家之間的一種矛盾。希格斯本人於2002年在報上發表了言詞尖刻的評論,說霍金因為名氣大,所以人們總是不加判斷地相信他說的東西。這也引起了一場不大不小的風波。

 

在科學問題上打賭的風氣由來已久,而根據2002Nature雜誌上的一篇文章(Nature 420,p354),目前在科學的各個領域內各種各樣的賭局也是五花八門。這也算是科學另一面的趣味和魅力吧?不知將來是否會有人以此為題材,寫出又一篇類似”80天環遊地球的精采小說呢?

 

 

上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)

 

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