夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第25章

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证据，以便今日来检验超弦理论的有效性呢？超弦理论预言的效应从遥远的时代至今，是否会留下痕迹？
　　　　理论物理学家尚未能确信会不会有痕迹遗留下来。在膨胀开始一个很小的时间间隙后，几乎肯定有一个暴胀（inflation）时期，这是一个宇宙爆炸似的膨胀时期，接着是延续至今和仍将继续下去的平缓的膨胀。暴胀几乎毁掉了宇宙极早期的许多特征，因此也可能扼制了超弦理论的许多推论。但是，强加于暴胀的一些制约，也许毕竟可以用宇宙学方法使理论得以检验。同样的道理可以用于宇宙的初始条件，按照哈特尔和霍金的建议，初始条件与统一的量子场论密切相关。假定他们两人的想法和超弦理论都正确，那么初始条件就被唯一地确定了，但它对宇宙后来的影响被暴胀过程过滤了一次。解的明显多重性
　　　　除了超弦理论特征能量尺度与基本粒子实验可得到的能量相差太大以外，还有一个理由使少数物理学家对超弦理论能否检证表示怀疑。这主要是由于杂化超弦理论的方程有非常多的近似解。别的暂时不说，只说每一个这样的解都提供了一个粒子表，其质量均近似为零。我们似乎可以假定，当非零的小质量作了修正后，这些粒子和理论中组成低质量部分的粒子相同。于是，每个近似解的零质量粒子的主要内容可以与超标准模型相比较。某些解还的确取得了一致：低质量部分包含超标准模型和几个额外的粒子如引力子和引力微子。
　　　　麻烦的是，已经发现有几千种这样的近似解，而且看来还会不断有新的近似解发现。因此，被观测到的情形与超弦理论的一个解进行比较，并非根本不可能，但是，对所有其他解又如何处置呢？这儿有几个可能的答案。第一，我们当然可以认为这理论错了，但仅
　　　　从有过多的近似解就作这样严厉的结论，我看不出有什么道理。第二种可能性认为，困难完全起源于近似性（这种说法并不完全公正，只不过很方便），因此一旦改进了这种近似性，那么除了一个解以外，其他所有解均可认为是虚假的，并予以抛弃（这种可能性的一个修正形式认为，仅仅几个真正的解可以保留）。作用
　　　　为讨论多重解问题，还有一种可能的办法是引入一个非常重要的量“作用”（action），通常用符号S　来表示。很早以前在经典的牛顿物理学中引入“作用”时，它就很有用处，但到量子力学出现以后，它就不仅是有用，而且成了不可缺少的量。作用的量纲等于能量乘以时间；而普朗克常①　mp　代表普朗克质量，这个数值是译者附加上的——译者注数除以2π，即h，也有相同的量纲，因此可以把它当作作用的基本单位。我们知道，量子力学中粗粒化历史的概率，是把所有成对的完全精细历史量D　值加遍。量子力学中的一个理论对每一个精细历史指定一个特定的S值，正是作用的这个值（加上初始条件）决定了D　的值。很清楚，我们高度希望在杂化超弦理论中找到确定S　值的公式。但至今为止，这还只是一个难以达到的目的。今日我们能做到的，如我以前的一位学生茨威巴赫（Barton　Zwiebach）所得的一个结果一样，似乎只能把作用表示为一个无穷级数之和，而对这种系列求和仍然是一个难以完成的任务。
　　　　如果把上述情形，与我已去世的同事费曼在1954　年完成的一次学术辩论作一比较，我们也许会得到启示。（1954　年，我访问加州理工学院并决定在这儿工作时，费曼和我讨论了他的计划。事实上，我自己也开始了一个与此类似的计划。）费曼开始设想，假定爱因斯坦在1914　年前后，他睿智的洞察力并没有深入到引力的本质中去，也没有了解到引力必需服从广义相对论的不变性原理并与时空几何有关。这时狄克①问道：有没有可能不用这种洞察力，用强迫的办法建构这个理论？他发觉可以这样。但是，作用以一种无穷级数的形式出现，而对这个级数求和在没有几何观点和不变性原理的情形下，实际上不可能。而（广义相对论的）原理可以直接得出答案，既不需要任何强迫，也不需要无穷级数。事实上，只要爱因斯坦在广义相对论的基础上了解到，为了描述引力他需要什么公式，他是可以从他的一位老同学格罗斯曼（Marcel　Grossman）得知有关数学知识，并写出作用的公式，而且，由这个公式可以推出86　页的公式。
　　　　也许超弦的情形有些相似。如果理论物理学家了解超弦理论的不变性原理，他们也许可以写出短序列的作用公式，而用不着诉诸对无穷级数求和。（当我们等待这个发现时，我们将怎样称呼这个原理呢？陆军元帅相对论（Field　marshal　relativity）？大元帅相对论（　Generalissimorelativity）？当然，这个理论会超过相对论。）但无论如何，对超弦理论有了深刻的了解，我们就会联手前进去发现作用S　的公式。如以前曾注意过的一样，自洽的靴袢原理（“bootstrap”principle）曾首次激励过超弦理论，这种思想是一个简单而强有力的思想，但也并没有用正确的语言详细描述，因而未能发现作用或作用后面完全的对称原理。当超弦理论用量子场论的语言来描述，当它的作用和对称性被发现了，那超弦理论就真的已经成熟了。有效的作用
　　　　从作用开始，在原则上我们可以算出一个相关的量，我用S符号表示。理论物理学家可以给它一个“量子修正欧几里得化的作用（　quantumcorrected　Euclideanized　action）这么一个名称。这个量是作用S　修正型的平均值，这儿说的修正涉及时间变量特性的修改。我们可以把量S　看成是“有效作用”（effectiveaction），它对理论的解释起着很大的作用。首先，哈特尔和霍金可以用S表示他们提出的宇宙初始条件。其次，如果①　费曼的朋友常亲热地称他为Dick——译者注超弦理论真的有许多解，我们可以用量S寻求指导。由于某种原因，对一些不同解计算出的这个量，必须在这些解之间作出区分。由经典物理学可以推论出，最小作用原理为详细阐述经典动力学提供了一个美妙的方法，有些理论物理学家可以认定，符合物理学宗旨的正确解——表述真实宇宙性质——也必将是有效作用S的最小值。这的确是挑出正确解的正确判据。既然我们现在处理的是量子力学，那么，对宇宙来说，最后的结果也许根本没有单个的正确解，而只有一个概率的情形，所有真正的解只是可能的候选者；每个候选者都有自己的概率，概率变小时S的值就增大。事实上，用S表示的概率公式是一个衰减的指数函数，由图10…1　的一条曲线来描述。具有S最小值的解，因此就具有表征宇宙的最高概率，而其他解也将具有某种机会。解的分枝树应用到宇宙的特定解，将决定基本粒子系统的结构。事实上还可以决定更多的事情。但应足够注意的是，它甚至可以决定空间的维数。思考杂化超弦理论空间情形的一条思路是：理论从1　维时间、9　维空间的空时开始；这样，不同的解对应于某些空间维的坍缩（collapse），留下的仅是可以观察到的维。如果应用S的概率解释，那么我们宇宙的三维空间性质，是超弦方程组一个特定解（例如，包含特定粒子集的特定费米子家族的数目）偶然出现的结果。
　　　　这样的一个概率情形，是解决超弦方程组许多外观解之谜最有兴趣的可能结果，假定它是一个正确的结果，那么我们就会想到宇宙粗粒化历史可供选择的分枝树。每一个分枝是一个概率，从第一个分枝开始就选择了超弦方程组的一个特定解。
　　　　超弦理论的预言，无论它们是否依赖解的这样一个概率“选择”（choice），这些预言都必须与我们的3　维空间的经验和基本粒子系统所有特性相比较。
　　　　如果杂化超弦理论在所有可以检验的情形下，都做出了正确的预言，那么，基本粒子的基本理论问题就大概被解决了，宇宙态的演化动力学也将被知道。但是，宇宙历史的描述依赖于初始条件，同时也依赖于宇宙历史树的所有分枝的偶然结果。多宇宙迄今为止，我们讨论的量子宇宙提出了宇宙可供选择的历史，但我们将宇宙视为一个单独的整体，它拥有所有各处的物质。但是，量子宇宙学还在不断改变，还充满一些很有趣的推测性的思想，因此量子宇宙学还存在许多问题；而且这些思想中的某些想法这样或那样地认为，宇宙不止一个而是多个（multipleuniverse）。既然宇宙（universe）一词的uni…代表一，于是多和一就似乎是一个矛盾。也许用一个新词至少可以避开语义上引起的混乱。只要多宇宙的想法哪怕部分正确，这样做也是划算的。我们可以用“multiverse”①代表整个宇宙总体，在这总体中我们熟悉的宇宙只是其中一员。
　　　　多宇宙的引入没有多大意义，除非我们的宇宙基本上大都是自足（autonomous）的。有人提出，其他宇宙是在量子过程中虚创造、虚毁灭的“婴儿宇宙”（baby　universe），正如量子场论里携带力的虚量子。霍金和其他一些人认为，婴儿宇宙的虚创造和虚毁灭改变了基本粒子理论计算的结果，但在本质上没有向我们宇宙历史分枝树的概念提出异议。
　　　　另外一种猜想的可能性是有无数宇宙存在，它们中的许多在尺寸上和我们的宇宙可以相比较，但和我们的宇宙接触很有限（如果有接触的话），这种接触也许在遥远的过去，或者可能在遥远的未来。有种猜想认为，多个的宇宙像是“多宙”
　　　　（multiverse）中的气泡，这些气泡在很早以前就彼此分离开来，这以后各宇宙间有一段很长的时期彼此没有交往。如果这种多宇宙图像被证明有任何有效性，就会有人试图把不同气泡发生的事情与宇宙历史可能的分枝看成是同一回事情。这样，有一个异想天开的想法就出现了：粗粒历史之树的许多分枝实际上统统可以实现，但要在不同的气泡里。每种历史的概率在本质上就是一个统计的概率，特定的历史就发生在不同的“宇宙”中。
　　　　现在假定超弦理论的许多近似解的统计诠释是正确的，那么，就会有许多真实的解，它们与各种基本粒子模式和不同维数的空间发生联系。接下去，如果许多宇宙真的像气泡一样在一个多宙中存在，那么它们就可以用超弦理论不同的一些解来说明，这些解就会给出有效作用S值的衰减指数函数。即使这样的理论推测被证明不是基本的，但是多个基本上独立的宇宙这个概念，仍然为量子宇宙学提供了一种好的思考方法。“人择原理”
　　　　有些量子宇宙学家喜欢谈所谓的人择原理（anthropic　princi…ple），这个原理需要的是在宇宙中要有适合于人类生存的条件。这个原理的弱形式（weak　form）仅指出：只有特定的历史分枝可以让我们发现我们自己拥有特殊的条件，让行星存在，让生命包括人类的生命在这颗行星上繁荣发展。在这种说法中，人择原理是十分明显的。
　　　　人择原理的强形式（strong　form）则认为，这个原理应该应用到基本粒子的动力学和宇宙的初始条件中去，设法把那些基本定律塑造得可以产生人类。这种想法我认为太不合理，不值得继续讨论。
　　　　但是，我曾试图在一种人择原理的想法中找到某种解释，这个人择原理既不失去价值又不是胡说。我能得到的最好结果如下所述。在基本方程不同的解（如果事实上有多个精确的解）和不同的历史分枝中，某些解和某些历史在许多地方为复杂适应系统创造优越的条件，使复杂适应系统可以作为IGUS（信息收集和利用系统），也可以作为量子力学分枝的观察者（这些条件包括一种普遍的情形，即适合于在有序和无序间起媒介作用）。①　Gell…Mann　造的词multiverse　一时找不到合适的中文词译出，也许可以译为“多宙”？——译者注这些解和分枝提出了一个很有趣的理论问题，我建议把它称之为寻找一个IGUS　的原理。这些条件的一个有利于IGUS　的不重要的偶然性质是，允许地球的存在、地球上生命和特别是人类的存在，并出现在某些分枝上。这种理论探索的一个应用，是改善接收信号概率的计算，这个信号是从遥远行星上智力复杂适应系统发出的。这在SETI　（search　forextraterrestrial　intelligence，寻找地球外智慧）计划中有过应用。有许多因素进入这种计算。其中之一就是因为灾难性的战争或工业技术的衰微会使我们文明社会完结，那么这个技术文明可能持续多长的时间，使我们能够和有兴趣发出信号。另一个因素是一颗行星能够让复杂适应系统暂住（例如人类住在地球）的概率。这里有许多微妙的考虑可能会掺合进来，例如，莫洛惠兹（Harold　Morowitz），他研究地球大气中的前生命时期的化学反应，这些反应为产生生命提供条件。他认为有一些非常严格的条件，才使这些反应得以发生。但另外一些专家，却并不像他那样确定。为了取代有些可怕的“人择原理”，在给出基本粒子的基本理论和宇宙初始量子态后，我们在理论科学上似乎面临一系列有趣而又颇常见的问题，如复杂适应系统在不同历史分枝和不同时间地点演化所必需的条件。初始条件的作用
　　　　我们已经几次谈到初始条件的作用，初始条件将有序输入早期宇宙，使后续的演化（首先是银河、恒星、行星等天体，而后是复杂适应系统）得以发生。我们还讨论过初始条件最有戏剧性的一个结果，即时间恒定地穿过宇宙向前流驶。下面我们更详细地揭示时间的流动。第十五章　时间之箭——向前和向后的时间
　　　　我们回忆一下陨星穿过大气和落到地面上的情形。有一个影片把整个事件的顺序倒转过来，我们立即知道时间被颠倒了。我们知道，时间单向性的基本原因是在1010～1。5×1010　年以前，宇宙处于一种非常特殊的状态。我们顺着时间朝简单的组态看去，则我们正在思考所谓的过去（past）；我们朝另一个方向看去，则我们正注视伸向远处的未来（future）。初始态（即大爆炸的时刻）的致密性并没有充分描述出它的简单性。宇宙学家们认为有可能，甚至很可能，在未来遥远得几乎不可思议的时刻，宇宙将再次坍缩成非常小的结构。但是，即使这样，宇宙的结构与过去存在过的致密态十分不同。当再坍缩时，宇宙不会按膨胀的逆方向运动。宇宙膨胀和收缩彼此对称的观念，被霍金认为是他的“最大的错误”（greatestmistake）。辐射和记录
　　　　时间向前和向后是不同的，这一点很容易用许多方法确认。例如，热的物体如恒星和银河向外辐射能量，辐射能量最熟悉的形式是辐射光子——如光、无线电波、γ射线，正是由它们才出现了光学天文学、无线电天文学和γ射线天文学等等。除了观测光子以外，中微子天文学正在崛起，而且将来有一天我们会有引力波天文学。这都是建立在探测向外辐射能流的基础上，其能流形式或为波，或为粒子。同样，当我们看见从火里或电灯泡里射出的光，我们的眼睛就正探测到辐射的光子流。如果时间逆转，以上情形中的能将向光源流进去。流出的能流可以携带信号；如果一颗恒星变为一颗超新星，它会突然非常亮那么一会儿，这个信息，以光速向外传送。
　　　　过