弦論的未來

物理學家、《優雅的宇宙》作者布賴恩·格林（Brian Greene）訪談

　　過去一談到弦論，人們就感到頭暈腦脹，就算是弦論專家也煩惱不已；而其他物理學家則在一旁嘲笑它不能做出實驗預測；普通人更是對它一無所知。科 學家難以同外界說明為什麼弦論如此刺激：為什麼它有可能實現愛因斯坦對大統一理論的夢想，為什麼它有助於我們深入了解「宇宙為何存在」這樣深奧的問題。然 而從1990年代中期開始，理論開始在觀念上統合在一起，而且出現了一些可檢驗但還不夠精確的預測。外界對弦論的關注也隨之升溫。今年7月，伍迪·艾倫在 《紐約人》雜誌的專欄上以嘲弄弦論為題材——也許這是第一次有人用「卡拉比-丘」空間理論來談論辦公室戀情。

　　談到弦論的普及，恐怕沒有人能比得上布賴恩·格林。他是哥倫比亞大學的物理學教授，也是弦論研究的一員大將。

　　 他於1999年出版的《優雅的宇宙》（The Elegant Universe）一書在《紐約時報》的暢銷書排行榜上名列第四，併入圍了普利策獎的最終評選。格林是美國公共電視網Nova系列專輯的主持人，而他近期 剛剛完成了一本關於空間和時間本質的書。《科學美國人》的編輯George Musser最近和格林邊吃細弦般的義大利面邊聊弦論，以下是這次「餐訪」的紀要。

　　SA：有時我們的讀者在聽到「弦論」或「宇宙論」時，他們會兩手一攤說：「我永遠也搞不懂它。」

　　格林：我的確知道，人們在一開始談到弦論或者宇宙論時會感到相當的吃力。我和許多人聊過，但我發現他們對於這些概念的基本興趣是那麼的廣泛和深刻，因此，比起其他更容易的題材，人們願意在這方面多花點心思。

　　SA： 我注意到在《優雅的宇宙》一書中，你在很多地方是先扼要介紹物理概念，然後才開始詳細論述。

實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力

　　格林：我發現這個法子很管用，尤其是對於那些比較難懂的章節。這樣一來讀者就可以選擇了：如果你只需要簡要 的說明，這就夠了，你可以跳過底下比較難的部分；如果你不滿足，你可以繼續讀下去。我喜歡用多種方式來說明問題，因為我認為，當你遇到抽象的概念時，你需 要更多的方式來了解它們。從科學觀點來看，如果你死守一條路不放，那麼你在研究上的突破能力就會受到影響。我就是這樣理解突破性的：大家都從這個方向看問 題，而你卻從後面看過去。不同的思路往往可以發現全新的東西。

　　SA： 能不能給我們提供一些這種「走後門」的例子？

　　格林： 嗯，最好的例子也許是維頓（Edward Witten）的突破。維頓只是走上山頂往下看，他看到了其他人看不到的那些關聯，因而把此前人們認為完全不同的五種弦論統一起來。其實那些東西都是現存 的，他只不過是換了一個視角，就「砰」地一下把它們全裝進去了。這就是天才。 對我而言，這意味著一個基本的發現。從某種意義上說，是宇宙在引導我們走向真理，因為正是這些真理在支配著我們所看到的一切。如果我們受控於我們所看到的 東西，那麼我們就被引導到同一個方向。因此，實現突破與否，往往就取決於一點點洞察力，無論是真的洞察力還是數學上的洞察力，看是否能夠將東西以不同的方 式結合起來。

　　SA： 如果沒有天才，你認為我們會有這些發現嗎？

　　格林：嗯，這很難說。就弦論而言，我認為會的，因為裡面的謎正在一點一點地變得清晰起來。也許會晚5年或 10年，但我認為這些結果還是會出現。不過對於廣義相對論，我就不知道了。廣義相對論實在是一個大飛躍，是重新思考空間、時間和引力的里程碑。假如沒有愛 因斯坦，我還真不知道它會在什麼時候以什麼主式出現。

　　SA：在弦論研究中，你認為是否存在類似的大飛躍？

　　格林：我覺得我們還在等待這樣一種大飛躍的出現。弦論是由許多小點子彙集而成的，許多人都做出了貢獻，這樣 才慢慢連結成宏大的理論結構。但是，高居這個大廈頂端的究竟是怎麼樣的概念？我們現在還不得而知。一旦有一天我們真的搞清楚了，我相信它將成為閃耀的燈 塔，將照亮整個結構，而且還將解答那些尚未解決的關鍵問題。

相對論是對時間和空間重新思考的里程碑，我們正在等待另一次這樣的飛躍

　　SA：讓我們來談談環量子理論與其他一些理論。你總是說弦論是唯一的量子引力論，你現在還這麼認為嗎？

　　格林：呃，我認為弦論是目前最有趣的理論。平心而論，近來環量子引力陣營取得了重大的進展。但我還是覺得存 在很多非常基本的問題沒有得到解答，或者說答案還不能令我滿意。但它的確是個可能成功的理論，有那麼多極有天賦的人從事這項研究，這是很好的事。我希望， 終究我們是在發展同一套理論，只是所採用的角度不同而已，這也是施莫林（Lee Smolin）所鼓吹的。在通往量子力學的路上，我們走我們的，他們走他們的，兩條路完全有可能在某個地方相會。因為事實證明，很多他們所長正是我們所 短，而我們所長正是他們所短。弦論的一個弱點是所謂的背景依賴（background-dependent）。我們必須假定一個弦賴以運動的時空。也許人 們希望從真正的量子引力論的基本方程中能導出這樣一個時空。他們（環量子引力研究者）的理論中的確有一種「背景獨立」的數學結構，從中可以自然地推導出時 空的存在。從另一方面講，我們（弦論研究者）可以在大尺度的結構上，直接和愛因斯坦廣義相對論連接起來。我們可以從方程式看到這一點，而他們要和普通的引 力相連接就很困難。這樣很自然地，我們希望把兩邊的長處結合起來。

　　SA：在這方面有什麼進展嗎？

　　格林：很緩慢。很少有人同時精通兩邊的理論。兩個體系都太龐大，就算你單在你的理論上花一輩子時間，竭盡你的每一分每一秒，也仍然無法知道這個體系的所有進展。但是現在已經有不少人在沿著這個方向走，思考著這方面的問題，相互間的討論也已經開始。

　　SA：如果真的存在這種「背景依賴」，那麼要如何才能真正深刻地理解時間和空間呢？

　　格林：嗯，我們可以逐步解決這個難題。比如說，雖然我們還不能脫離背景依賴，我們還是發現了鏡像對稱性這樣 的性質，也說是說兩種時空可以有相同的一套物理定律。我們還發現了時空的拓撲變化：空間以傳統上不可置信的方式演化。我們還發現微觀世界中起決定作用的可 能是非對易幾何，在那裡坐標不再是實數，坐標之間的乘積取決於乘操作的順序。這就是說，我們可以獲得許多關於空間的暗示。你會隱約在這時看見一點，那裡又 看見一點，還有它們底下到底是怎麼一回事。但是我認為，如果沒有「背景獨立」的數學結構，將很難把這些點點滴滴湊成一個整體。

　　SA：鏡像對稱性真是太深奧了，它居然把時空幾何學和物理定律隔離開來，可過去我們一直認為這二者的聯繫就是愛因斯坦說的那樣。

格林：你說的沒錯。但是我們並沒有把二者完全分割開來。鏡像對稱只是告訴你遺漏了事情的另一半。幾何 學和物理定律是緊密相連的，但它就像是一副對摺開的地圖。我們不應該使用物理定律和幾何學這個說法。真正的應該是物理定律與幾何-幾何，至於你願意使用哪 一種幾何是你自己的事情。有時候使用某一種幾何能讓你看到更多深入的東西。這裡我們又一次看到，可以用不同的方式來看同一個物理系統：兩套幾何學對應同一 套物理定律。對於某些物理和幾何系統來說，人們已經發現只使用一種幾何學無法回答很多數學上的問題。在引入鏡像對稱之後，我們突然發現，那些深奧無比的問 題一下子變得很簡單了。

理論上可以導出許多不同的宇宙，其中我們的宇宙似乎是唯一適合我們生存的

　　SA：弦論以及一般的現代物理學，似乎逼近一個非如此不可的邏輯結構；理論如此發展是因為再無他路可走。一方面，這與「人擇」的方向相反；但是另一方面，理論還是有彈性引導你到「人擇」的方向。

　　格林：這種彈性是否存在還不好說。它可能是我們缺乏全面理解而人為造成的假像。不過以我目前所了解的來推斷，弦論確實可以導出許多不同的宇宙。我們的宇宙可能只是其中之一，而且不見得有多麼特殊。因此，你說得沒錯，這與追求一個絕對的、沒有商量餘地的目標是有矛盾的。

置身於弦宇宙，時空可能像這樣：另有6維捲曲在所謂的「卡拉比-丘空間」內

　　SA：如果有研究生還在摸索，你如何在方向上引導他們？

　　格林：嗯，我想大的問題就是我們剛才談到的那些。我們是否能窮究時間和空間的來源？我們能否搞清楚弦論或M 理論的基本思想？我們能否證明這個基本思想能導出一個獨特的理論？這個獨特理論的獨特解，也就是我們所知的這個世界？有沒有可能藉助天文觀測或加速器實驗 來驗證這些思想？ 甚至，我們能不能回過頭來，了解為什麼量子力學必然是我們所知世界不可或缺的一部分？任何可能成功的理論在其深層都得依賴一些東西：比如時間、空間、量子 力學等，這其中有哪些是真正關鍵的，有哪些是可以省略掉仍能導出與我們世界相類似的結果？

　　物理學是否有可能走另一條路，雖然面貌完全不同，但卻能夠解釋所有的實驗？我不知道，但是我覺得這是個很有意思的問題。從數據和數學邏輯出發， 有多少我們認為基本的東西是唯一可能的結論？又有多少可以有其他可能性，而我們不過是恰恰發現了其中之一而已？在別的星球上的生物會不會有與我們完全不同 的物理定律，而那裡的物理學與我們一樣成功？