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读【超弦:一种包罗万象的理论】

(英)戴维斯•布朗
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。
水风按:
科学走的是一条寻根的路,它是从复杂现象之中寻找简单规律的思维。易学相反,是从简单规律开始来了解复杂现象。科学最终找不找得到基始理论真的很难说,因为从科学的开展形式看,它很有可能找不到。易学有基始理论(阴阳之道),并从基始理论出发试图掌握更加实在、精确、细致的自然规律。但它的开展形式也注定了不能单独地依靠本身获得如科学一样的过程。看起来科学和易学走的是一条镜像的路,但两者之间却不可逆,不可置换。唯一让我们欣慰的是,两者在今天这个时代相遇可以产生一种新的科学模式。这种新的科学模式如今只是推动了现代科学的加速发展,并没有完全从原有的科学形式中脱离出来,所以科学真正的大时代还远未到来(参看【有极图】)。

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。这使我们明白,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。
水风按:
基始理论注定无法连续性地推导和演绎,如果我们还是以线性的科学思维去发展基始理论,那么前路必将使死胡同。
一个好的包罗万象的理论必须不能单单是基本定律和事物的汇总,而应具有解释能力,它必须建立自然的不同侧面的联系。
水风按:
人们总会沉醉在科学美好的幻想,而当真正的基始理论出现,人们又发现它是如此另类,如此地不符合科学的线条,尽管它的确是一种“汇总”和建立“联系”。水风决非无稽之谈,从易学的基始理论——阴阳之道里,我们是可以看到未来科学之基始理论的影子的。

统一物理的努力有两种不同的方案,……另一个或许是更为普遍的科学研究方法是 “自下而上”的方案。这种方法从现象学出发,系统地整理实验的原始数据,并推导出某些规律。这些规律被提炼成假想,推广到更普遍的定律,根据定律在新的领域对现象作出预言,再用实验验证预言。通过一点点的积累,科学家们得出了比这些事实的总和更深刻的理论。粒子物理就给这种方法提供了很多佐证,如夸克理论就是由实验所观测到的很多不同粒子的某些物理的相似性,经过逐步摸索,把它们归化为一些类或多重态。
水风按:
发现更加普遍的规律和更多的新领域,最后走向简约化,这是科学的定式。

相对论预言的时空间隔的转化暗示时空是物理的一部分,而不仅仅是物理表现的舞台。事实上,转化的方式揭示了时空的内禀联系,它们可以看成是一个四度的连续体,称为时空。因而物理学家把世界视为四维,而非三维。
水风按:
事物总是有利有弊,科学即有幸于时间连续性的认识,也不幸于这种认识。因为时间连续性的认识会抹杀掉对宇宙普适法则的深层认识,新的秩序破坏了自然的秩序,如此科学就无法再进入新的层次的升华。

用什么来表明圆比正方形的对称程度要高是一个有趣的问题。我们注意到正方形比圆形的结构复杂。当把圆稍微变一变形,或在圆上添加一个点时,转动对称性就会被破坏。在这两种情况下,都是在圆上面附加新的结构。通常一个结构简单的系统有更高的对称性。
结构最简单的系统可能是空的空间。转动它时没有什么会改变,在给定方向的移动也是如此。我们可以说空的空间在所有的方向和位置上都是一样的。(忽略了引力的弯曲效应,在粒子物理中完全可以这么假设。)同时,在镜象反射下空的空间是不会改变的。这一基本的观察可以由于空间的几何结构 (距离和角度)在连续的转动和平移和在任何平面的反射下是不变的这种说法而表达得更为精确。
在这个无结构、空的世界中,时间也具有对称性。在没有事件发生的虚空中,任何时刻都是等同的,也就是说有时间平移不变性。同时时间反演不变,即没有区别过去和未来的时间箭头。
水风按:
时间、空间与圆的对称性是有区别的。圆是完满的对称,是一切对称性的基础,是没有缺损的对称。而时间与空间则是破缺的对称。两者原本在大爆炸之前是一体的,随后破缺为时间和空间,时间主导运动,空间主导变化。由于两者是宇宙最大尺度上的展现,所以本身就具有奇点最近似的对称性,只是并不能在整体中单独成立。

因此物理中最基本、最深刻的定律是源于空的空间没有结构这样一个基本而平凡的事实,它表明对称性维持着自然世界的秩序。
水风按:
没有时间便不全备。

反射对称性。转动球体在现实世界中顺时针转动,在镜象中逆时针转动。如果我们不能识别镜子,我们不能区别哪一个球是实体,哪一个球是镜象。两者都是同样可能的过程。镜象中过程在转动球体的影片倒映中也发生。
水风按:
它是物质和现象的对立、对持的表现。古人所云“风雷相搏、山泽通气、水火相射”等,实为此反射对称。

日常生活中的对称性虽然可以以许多方式存在,但是在几何上特别显然(见图9)。时间对称性已经讨论过,还有一些不是直接与空间和时间有关系的,在物理上非常重要的对称性。一个简单的例子是电荷反演的分立对称性。电子和反电子可以看作是互为镜象的粒子,同时正电子也可看作是电子的电荷反演。它们的电荷数值的相等隐示着电荷反演是精确的对称,因此我们猜测物理定律在电荷反演下不变。
水风按:
电荷的对称性表示物理定律的不变性,八卦互荡的对称性亦表示对称现象之间存在着的相通性和属性上的不变性。

探索新的对称性已经成为物理学家认识世界的一个重要手段。
水风按:
最终所有的对称性都将得到统一,一个基始对称包罗所有的对称形象。
物理中有很多非几何对称性例子。一个例子是提举重物作的功。这个功只依赖于重物所提升的高度差,而不依赖于提升路径,也不依赖于绝对位置,即在海平面和地面把重物提升同样的高度差所需作的功相等。因此,存在一种自由选择起点的对称性。
电场中也存在类似的对称性,这里电压类似于高度。在电场中如果电荷从一点移到另一点,所需的能量只依赖于移动路径上两点之间的电压差。如果在这两个点上电压增加的量相同,需作的功相等。这是麦克斯韦电磁方程的一个重要对称性。
上面的三个例子是物理学家所称的规范对称性。这些对称性可以看作是分别重新标度钱币、高度和电压。它们不是几何的,而是抽象的对称性,我们不能直观地观察到这种对称性。但是它们仍是有关系统性质的重要标记。的确,正是电压的规范不变性,保证了电荷的守恒。规范对称性在寻求自然中各种相互作用的理想的量子理论中起着核心的作用,而且统一力的尝试都是在规范对称性的范围之内的。
我们已经看到,物理对称性有两类,即几何对称性如转动和反射,和抽象对称性如规范对称性。在 70年代早期,理论物理学家发现了一个未知的比像转动和平移这种操作更深刻,更有效的几何对称性,它就是超对称。
水风按:
对称性在所有层次的物学上都是普遍现象,无论是外在还是内禀、表象还是抽象、大尺度还是小尺度。因为它是宇宙运动变化之本质二元律的表达形式。

首先,在物理中更深层次的对称性经常会在某些系统的物理态中破缺。这种对称性破缺在电弱作用理论中是必然的,而力的更深层次的对称性是隐藏着的。因此有可能自然本身是超对称的,但是在现今所考察的现象中是破缺的。
水风按:
没有破缺哪来宇宙万物的演化。
但另一方面,量子理论在应用上的成功又远远超过广义相对论。量子力学已成为粒子物理,核,原子,分子和固态物理,物理化学,现代光学,恒星天体物理学以及宇宙学等不可或缺的组成部分。
人们常说20世纪的物理学是建筑在相对论和量子理论之上的。前者极为优美令人叹服但在应用上颇具局限性;后者虽然多少有些哲学上的含混却在科学上创造了无与伦比的记录。两者不相协调这一事实意味着在物理学的核心处存在深刻的灾难性的矛盾。所以任何一个成功的包罗万象的理论必须设法消除这一矛盾。
水风按:
不同的层次必然有不同的主宰,易学尚有阴阳、四象、八卦等诸层次的运用,科学何尝不是如此。在易学中阴阳作为基始理论,贯穿所有的层次,使整个体系浑然一体、无暇统一。科学尽管取得了骄人战绩,但在系统论上与易学结构相差了十万八千里。

超弦理论中最有希望的是E8×E8形式,这两种E8对称性之一包含了迄今已经知道的粒子物理的所有对称性,这些对称性是从目前所能达到的能量范围内的实验中总结出来的。另外的E8对称则描述一种新的物质,有时称为影子物质(shadow matter),它同我们所熟悉的普通物质没有相互作用或者仅存在很弱的相互作用。
一种奇妙的可能性是,与第二种E8对称相联系的影子物质是完全不可见的,因为它们同我们能够探测得到的光不发生相互作用。它同我们所了解的引力存在相互作用——普通物质与影子物质所受的引力是一样的。
水风按:
易学与科学在对待阴的不可观测性时各不相同,科学千方百计要其实在化,但可能根本就没有直接的方法探测。易学则留下模型中的位置,用间接手段确定阴的状态。科学在未来是否用易学相似的手段值得我们期待。
对于这个六维空间(点空卷缩间),存在一个称为欧拉(Euler)数的拓扑性质,粗略地讲,它可以告诉我们空间中存在多少个空洞。研究表明,这个欧拉数同夸克和轻子族中存在多少代有直接联系。已经发现,夸克和轻子是一组一组地出现,每一组称为一个代。实验上已经观测到三代,而为什么存在三代夸克和轻子,这是诸多未解之迷中的一个。弦理论令人兴奋
的事情之一就是这个理论中的代的数目恰好等于六维空间欧拉数的一半。
水风按:
这与时空的三个自由度有关。

按照超弦的观点,所有我们原来认为是基本的粒子,也即无内部结构的点粒子,实际上并不是点,而是弦构成的小环,它们在空中移动并振动。
让我们考虑以往的关于基本粒子的图像,这时只有一个点,当粒子运动时,可以想象它刻画出一条线,即所谓的“世界线”(worldline)。现在,在超弦理论中,任何时刻粒子都是个小环,可想象为绳套或诸如此类的东西。随着时间的发展,这个小“绳套”在空间运动并描出一个管状的东西,叫作“世界面”(world sheet),这就是超弦方案中的粒子轨迹。
水风按:
可以将它作弦来处理,但不能将点当作真的弦。因为如果是真的弦,原子就不会有核心,电子也不会出现跃迁现象。
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